【摘 要】
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圆柱纤维表面上薄膜的流动有着非常重要的应用价值与背景,如纳米纤维制造,工业脱盐等。本文研究了曲率弹性效应和范德华力的作用下微纤维表面的薄膜流动的稳定性问题。以往的研究考虑的是宏观尺度下的流动不稳定性,但是在微观尺度下,会出现很多有趣的效应,如曲率弹性效应和范德华力作用。以往的研究认为表面张力的大小与温度、表面活性剂或者表面物质浓度的影响,而与表面形状结构没有关系,但是最近的研究发在微观尺度下(<1
【基金项目】
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国家自然科学基金项目,圆柱表面非牛顿流体薄膜流动,项目编号:12102109;
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圆柱纤维表面上薄膜的流动有着非常重要的应用价值与背景,如纳米纤维制造,工业脱盐等。本文研究了曲率弹性效应和范德华力的作用下微纤维表面的薄膜流动的稳定性问题。以往的研究考虑的是宏观尺度下的流动不稳定性,但是在微观尺度下,会出现很多有趣的效应,如曲率弹性效应和范德华力作用。以往的研究认为表面张力的大小与温度、表面活性剂或者表面物质浓度的影响,而与表面形状结构没有关系,但是最近的研究发在微观尺度下(<18)),表面张力与曲率弹性有很大的关系。本文采用长波近似理论来研究曲率弹性和范德华力如何影响PlateauRayleigh机制和垂直纤维上液膜的动力学问题,首先通过线性稳定性分析方法,引入扰动的正则模态,研究了曲率弹性和范德华力对系统的稳定性影响,推导了一个控制系统界面的单方程模型,推导了系统的临界波数,结果发现自发曲率系数、弯曲刚度系数以及范德华排斥力可以增强系统的稳定性,而与高斯曲率相关的鞍形模量系数强化了Plateau-Rayleigh机制,引起系统失稳。在非线性分析部分,首先进行了弱非线性的分析,推导了Gingzburg-Landau方程,发现了自发曲率和弯曲刚度的增大会引起系统亚临界失稳向超临界失稳的转变,随后进行了行波分析,行波分岔的结果与弱非线性稳定性分析的结果一致,发现弯曲刚和自发曲率能降低液滴的尺寸和移动速度,高斯曲率增大了液滴的传播速度,同时,当范德华力超过临界值时,不存在非线性行波解,而自发曲率和弯曲刚度能提高临界范德华力,鞍形模量会降低临界范德华力。最后使用傅里叶谱方法对长波模型进行了直接数值模拟,研究曲率弹性对薄膜破裂的影响,结果发现,范德华吸引力总能引起薄膜的破裂,而自发曲率和弯曲刚度能有效减缓薄膜的破裂,高斯曲率会加快薄膜的破裂,且薄膜厚度和破裂时间满足第一类相似解。
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