摘要：大家好，今天给大家带来的这篇论文为Free-surface jetting driven by a cavitating vortex ring，由Tianyuan Zhang等人撰写，发表于JFM。论文研究了空化涡环与自由表面相互作用时产生的射流现象，并通过

大家好，今天给大家带来的这篇论文为Free-surface jetting driven by a cavitating vortex ring，由Tianyuan Zhang等人撰写，发表于JFM。论文研究了空化涡环与自由表面相互作用时产生的射流现象，并通过实验、数值模拟和理论分析揭示了其背后的物理机制。

研究背景与动机

自由表面射流是一种在自然界和工业中广泛存在的现象，通常与气泡的破裂或脉动有关。这种现象在自然气溶胶生成、打印技术（如激光诱导前向转移）和无针注射等领域具有重要应用。传统上，球形空化气泡在自由表面附近坍塌时会产生两个射流：一个向下进入液体，另一个向上穿透自由表面。然而，本文研究的是空化涡环与自由表面相互作用时产生的单一高速射流。

研究方法

实验装置

研究团队通过电火花放电和激光脉冲两种方法生成了厘米级和毫米级的空化涡环。电火花放电实验装置包括一个电容、电极和刚性管，通过放电产生气泡并形成涡环。激光脉冲实验则通过聚焦激光束在管内产生毫米级的气泡，进而生成涡环。实验在透明水箱中进行，使用高速摄像机记录涡环与自由表面的相互作用。

数值模拟

为了深入理解涡环与自由表面相互作用的机制，研究团队使用OpenFOAM平台进行了数值模拟。模拟采用有限体积法求解不可压缩的Navier-Stokes方程，并通过体积分数法捕捉气液界面。模拟中，涡环的初始速度场通过预设函数生成，并考虑了自由表面对涡环运动的影响。

主要发现

涡环穿透自由表面的判据： 研究提出了一个基于能量关系的模型，用于判断涡环是否能够穿透自由表面。模型表明，涡环的动能必须克服重力和表面张力的势能才能形成射流。对于厘米级的涡环，重力是主要障碍，临界Fr约为0.8；而对于毫米级的涡环，表面张力是主要障碍，临界Weber数（We）约为1.7。

射流的最大高度： 射流的最大高度与Fr的平方成正比。在厘米级实验中，射流高度可达涡环半径的500倍以上。而在毫米级实验中，表面张力显著降低了射流的最大高度。

涡环加速机制： 数值模拟揭示了涡环在接近自由表面时的加速机制。涡环前后两侧的高压区在自由表面附近变得不对称，导致涡环向下加速，进而推动射流向上加速。

射流与涡环的速度比： 实验和数值模拟表明，射流的最大速度与涡环的平移速度之比相对稳定，范围在2.9到4.5之间。理论模型进一步解释了这一速度比，并指出表面张力在毫米级涡环中的作用更为显著。

结论

本文通过实验、数值模拟和理论分析，系统地研究了空化涡环与自由表面的相互作用，揭示了射流形成的物理机制。研究结果表明，涡环的动能、重力和表面张力在射流形成过程中起着关键作用。这些发现不仅增进了对涡环动力学的理解，还为液体环境中的能量和物质传输提供了新的思路，具有广泛的潜在应用，如流体混合、生物打印和气溶胶生成等。

来源：永不落的红黑心