颜料在水里扩散时为什么会形成这样一丝丝的结构?

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12个答案
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水军大嘟嘟环境流体力学博士生,科学松鼠会成员

2013-03-20 22:21

这种流动在流体力学里称作“羽流”(plume)或者“热流”(thermal),就是流动结构具有羽毛那样的丝絮结构。
这种羽流往往伴随着“卷吸”(entrainment)运动。卷吸的时候,周围的流体卷入颜料块形成一缕一缕的透明丝线,里面的流体裹挟着颜料向外卷出形成一缕一缕的彩色的丝线。丝线卷曲的形状和当地形成的小涡有关。当颜料块初始速度更高,或者颜料块的面积更大,又或者流体的粘性更小的话(即雷诺数更大时),这种团状结构的数目更多,因为形成的湍流的涡结构相对来讲更小。反之也成立。

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在不同流体混合的时候,因为流动不稳定性会产生图中这样的湍流,在这里颜料起到了“标记”流动状态的作用。
流动并不是完全恒定的,其中总会有一些小的波动,在流动稳定的情况下,这种波动会因为粘性而很快被耗散而”抹平“,所以流动会呈现比较平稳规则的形态。

而在流动不稳定时,小的波动会被不断放大,这种效应会使流动呈现出复杂的结构:


①Rayleigh-Taylor不稳定性:与重力/密度差有关,这个应该可以对应@lalunasun 贴的那个海水混合的图。
密度不同的液体混合时,因为重力的缘故,分界面处小的波动会因为重力差而被不断放大(界面处受到的力倾向于让波动变得更大)。因为流体中扰动是不可避免的,结果就是分界面处的波动越来越大,最后变成混乱的结构。

(借用了一下维基百科的图)


②Kelvin-Helmholtz不稳定性:与剪切层的速度梯度有关
两股速度不同的流体相遇:

图中两股流动分界处的速度是连续的,但因为两侧速度相差悬殊,所以分界面处很薄的一层流体里会具有比较大的速度梯度,在接触面处形成剪切层。

因为粘性的缘故,在两股液体交界处,就会发生“高速流被逐渐拖慢,低速流被逐渐拖快”的过程,在这个过程中,速度梯度也在不断变化。当分界面处那个薄层的速度分布出现“拐点”时,流体也会具有“将小扰动不断放大”的效应,从而流动中那些本来觉察不到的小波动就被放大成了可见的涡卷结构。


小扰动放大直到变为”涡卷“的经过:

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lalunasun化妆品科学控

2013-03-25 11:44

放一张Salt Finger盐指,突然想到的。
暖而咸的海水(密度较小)与冷而淡的海水混合的过程。

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支持者: 单小鱼威武霸气

这是应该是流通力学的领域?
有染料的液体流动不均匀,在液体后面产生了类似尾巴状的丝吧

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当颜料倒入水里,颜料已经有一个初始速度,并给周围的水赋予一定的动量,这就会使水产生许多微小的涡流,类似抽吸的作用把颜料吸走(个人陋见,仅供参考)

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支持者: lycii

我从一个几何的角度来猜一下,任何事物都是由点、线、面、体构成,聚点成线,聚线成面。。。以此类推,这个扩散呢,肯定是个过程,所以必须也符合以上的规律,点这个毋庸置疑,就是颜料分子了,在扩展成面以前他必然要经历线这一过程,而这个过程碰巧就被楼主看到了。嘎嘎嘎。

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我这几天经常做。。把红色倒入水中,然后把蓝色倒入红水中,,很漂亮啊

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爵爵机械设计制造及其自动化专业

2013-05-18 00:09

太美了。。。

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“这是一种血缘关系现象。同一种血缘的物质存在相互的吸引力,在一般情况下,同种血缘的物质会相聚在一起,但如果在外力的作用下,这种血缘关系又显得十分的脆弱。它们将会随着时间的进程,逐渐被外力扩散直至均匀分布”——开玩笑的,仅供参考。

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