Dynamische Erzeugung von Kapillarwellen

Wir untersuchen die dynamische Erzeugung von Kapillarwellen in zweidimensionalen, invisziden und irrotationalen Wasserwellen mit Oberflächenspannung. Es ist bekannt, dass kurze Kapillarwellen in der vorderen Front steiler Wasserwellen auftreten. Obwohl verschiedene experimentelle und analytische Studien zum Verständnis dieses physikalischen Phänomens beigetragen haben, ist der genaue Mechanismus, der die dynamische Bildung von Kapillarwellen erzeugt, noch nicht gut verstanden. Mit einer numerisch stabilen und spektral genauen Boundary Integral Methode führen wir eine systematische Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von brechenden Wellen in Gegenwart von Oberflächenspannung durch. Wir finden, dass die Kapillarwellen in der Nähe des Kamms in einer Nachbarschaft entstehen, in der sowohl die Krümmung als auch ihre Ableitung maximal sind. Bei fester, aber kleiner Oberflächenspannung nimmt das Krümmungsmaximum mit der Zeit zu und die Grenzfläche entwickelt einen oszillierenden Zug von Kapillarwellen in der vorderen Vorderseite des Kamms. Unsere numerischen Experimente zeigen auch, dass die Grenzfläche mit zunehmender Zeit zu einer möglichen Bildung von eingeschlossenen Blasen durch Selbstkreuzung neigt. Andererseits nehmen für eine feste Zeit, wenn der Oberflächenspannungskoeffizient τ verringert wird, sowohl die Kapillarwellenlänge als auch ihre Amplitude nichtlinear ab. Die Schnittstellenlösungen nähern sich dem Profil τ=0 an. Zu Beginn der Kapillaren ist die Ableitung der Konvektion mit der des Schwerkraftterms in der dynamischen Randbedingung vergleichbar und die Oberflächenspannung wird in Bezug auf diese beiden Terme spürbar. Wir finden, dass es möglich ist, basierend auf der Welle τ = 0 einen Schwellwert τ0 so abzuschätzen, dass bei τ⩽τ0 keine Kapillarwellen entstehen. Andererseits wird bei ausreichend großen Kapillaren das Brechen gehemmt und eine reine Kapillarbewegung beobachtet. Das Grenzverhalten ist dem in der klassischen KdV-Gleichung sehr ähnlich. Wir untersuchen auch den Einfluss der Viskosität auf die Erzeugung von Kapillarwellen. Wir finden, dass die Kapillarwellen immer noch bestehen bleiben, solange die Viskosität nicht signifikant größer als die Oberflächenspannung ist.

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