Экспериментальное исследование границы раздела “сыпучая среда – жидкость” при горизонтальных вибрациях

А.А. Иванова, А.Ф. Кузаев (Пермь)

Изучаются закономерности формирования динамического квазистационарного рельефа на границе раздела двухфазной системы “песок – жидкость” в полости, совершающей интенсивные горизонтальные поступательные вибрации. Формирование рельефа происходит после перехода сыпучей среды в ожиженное состояние и связано с проявлением неустойчивости тангенциальных разрывов на границе раздела движущихся друг относительно друга сред (неустойчивость Кельвина–Гельмгольца). При этом поведение системы "песок–жидкость" аналогично поведению двух несмешивающихся жидкостей различной плотности при горизонтальных вибрациях. В данной работе исследуется вибрационная динамика сыпучей среды, состоящей из калиброванных по размеру сферических стеклянных частиц, в зависимости от безразмерной частоты вибраций. Исследования проводятся в полости прямоугольного сечения. Изучаются порог возникновения рельефа и его характеристики (длина волны, высота) в зависимости от параметров вибраций, варьируются размер частиц и вязкость жидкости.

Показано, что в широком интервале безразмерных частот, включая предельно низкие (вязкая жидкость, мелкие частицы), порог возникновения рельефа определяется критическим значением безразмерного вибрационного ускорения, а форма рельефа в надкритической области – вибрационным параметром, который пропорционален квадрату амплитуды вибрационной скорости. При этом изменение рельефа с вибрационным параметром зависит от безразмерной частоты, в области низких частот наблюдаются структуры, характерные для бифуркации удвоения пространственного периода. С увеличением вибрационного параметра длина волны и высота рельефа увеличиваются. При достаточно сильных вибрациях гребни холмов из ожиженной сыпучей среды достигают верхней границы полости, возможно формирование устойчивой системы двумерных холмов, разделенных чистой жидкостью, с крутыми, практически вертикальными склонами.

Работа выполнена при поддержке РФФИ и совместной программы CNRS–РФФИ (грант PICS № 1170 / РФФИ 01-01-22005 НЦНИ-а).