Exact solutions for viscous Marangoni spreading

马朗戈尼效应 马兰戈尼数 物理 流量(数学) 扩散 斯托克斯流 对称(几何) 广义相对论的精确解 机械 曲面(拓扑) 对流 伯格斯方程 经典力学 偏微分方程 热力学 数学 量子力学 几何学
作者
Thomas Bickel,François Detcheverry
出处
期刊:Physical review 卷期号:106 (4) 被引量:2
标识
DOI:10.1103/physreve.106.045107
摘要

When surface-active molecules are released at a liquid interface, their spreading dynamics is controlled by Marangoni flows. Though such Marangoni spreading was investigated in different limits, exact solutions remain very few. Here we consider the spreading of an insoluble surfactant along the interface of a deep fluid layer. For two-dimensional Stokes flows, it was recently shown that the non-linear transport problem can be exactly mapped to a complex Burgers equation [Crowdy, SIAM J. Appl. Math. 81, 2526 (2021)]. We first present a very simple derivation of this equation. We then provide fully explicit solutions and find that varying the initial surfactant distribution - pulse, hole, or periodic - results in distinct spreading behaviors. By obtaining the fundamental solution, we also discuss the influence of surface diffusion. We identify situations where spreading can be described as an effective diffusion process but observe that this approximation is not generally valid. Finally, the case of a three-dimensional flow with axial symmetry is briefly considered. Our findings should provide reference solutions for Marangoni spreading, that may be tested experimentally with fluorescent or photoswitchable surfactants.
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