Capillary breakup of stretched liquid jets

Resumen

Es bien conocido que la inestabilidad de Plateau-Rayleigh es responsable de la rotura en gotas de un chorro líquido. En este proceso, pequeñas perturbaciones crecen a medida que son advectadas por el flujo, a una velocidad que es determinada por los efectos opuestos de las curvaturas axial y radial del chorro, hasta que finalmente las fluctuaciones son lo suficientemente grandes como para romper el chorro. En esta tesis investigamos experimental y numéricamente cómo el efecto del estiramiento por gravedad influencia dicho crecimiento. Nuestro estudio se enfoca en chorros líquidos que salen de un inyector a una atmósfera en reposo, con un caudal ligeramente mayor que el caudal crítico en que el ocurre la transición de chorro a goteo. Esto ocasiona que el menisco cerca del inyector sea altamente no paralelo. Nuestro objetivo es comprender el papel que este último desempeña en el amortiguamiento o amplificación de las perturbaciones, y predecir la frecuencia de las perturbaciones más amplificadas y la longitud intacta resultante. La campaña experimental comprende la rotura natural y controlada de chorros generados usando diferentes viscosidades del líquido de trabajo, diámetros de inyector y caudales. Los chorros están sujetos a fluctuaciones de la velocidad axial a la salida del inyector, mientras que la línea de contacto permanece fija. En el caso de la rotura natural, la instalación experimental está diseñada para minimizar las perturbaciones, y por lo tanto todas las frecuencias presentes en el ruido ambiente deberían exhibir pequeñas amplitudes parecidas entre sí. Centramos nuestra atención en medir la longitud intacta y la frecuencia más amplificada, examinando el efecto de variar los tres parámetros de control. En una segunda etapa de los experimentos, la estimulación mecánica se usa para imponer fluctuaciones sinusoidales de amplitud y frecuencia conocidas a la velocidad axial en el inyector. Se efectúa un barrido de los parámetros de estimulación en diferentes configuraciones del flujo, observando una transición de rotura caótica a periódica, y finalmente estableciendo un régimen de goteo oscilatorio cuando la amplitud de las perturbaciones es suficientemente grande. En lo que respecta al análisis numérico, describimos la dinámica del chorro recurriendo a las ecuaciones unidimensionales de primer orden de conservación de masa y momento. La teoría de estabilidad clásica no es válida para estudiar estos chorros debido al fuerte estiramiento axial en la región cercana al inyector. Por ello proponemos un análisis lineal global de respuesta en frecuencia, que en contraste con la teoría local no hace hipótesis acerca de la forma de las perturbaciones a excepción de que presentan pequeña amplitud. Desde el punto de vista físico, este enfoque revela que el menisco filtra selectivamente las perturbaciones de la salida, obteniendo una frecuencia óptima responsable de la rotura del chorro aguas abajo. Sin embargo, las hipótesis lineales no son válidas en las etapas finales previas a la rotura ni en chorros sujetos a forzado de gran amplitud, y por ello abordamos el problema como un análisis de estabilidad no lineal. En este enfoque, la evolución del campo fluido es obtenida integrando las ecuaciones completas no lineales de las ecuaciones de conservación unidimensionales, permitiéndonos predecir con precisión la longitud de rotura y confirmando el retardo en el crecimiento de las perturbaciones capilares en la región del menisco.