Free surface instability of a rotating liquid film of a second-order fluid

Summary The free surface instability of a liquid film of an incompressible second-order fluid attached to a rotating circular cylinder is studied with respect to rotationally symmetric infinitesimal disturbances. The surface mode is examined in detail; the shear wave mode is qualitatively discussed. The results show that for any Reynolds numberR and any surface tensionT, there is always a range of wave numberm for which the flow is unstable. The dependence of the growth rate as well as the critical wave numberm, on the normal stress coefficients of the fluid is studied quantitatively for small as well as for finiteR. It is found that while the first normal stress coefficient has no effect on the stability of the flow, the presence of the second normal stress coefficient always tend to make the flow less stable (i.e., larger growth rate). The critical wave length (which corresponds to the mode of maximum instability and thereby determines the wave length of the breaking apart of the rings formed on the cylinder) is longer for a second-order fluid than for a Newtonian one. These effects (larger growth rate and longer critical wave length) are more pronounced asR increases and/orb (the thickness parameter) increases for a fixed surface tension parameterS. Surface tension is always stabilizing. Decreasing surface tension increases the growth rate, more so for larger magnitude of the second normal stress coefficient.

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Zusammenfassung Die Instabilität der freien Oberfläche eines einem rotierenden Kreiszylinder anhaftenden Flüssigkeitsfilms einer inkompressiblen Flüssigkeit zweiter Ordnung wird gegenüber rotationssymmetrischen infinitesimalen Störungen untersucht. Dabei werden Oberflächenwellen eingehend, Scherwellen dagegen nur qualitativ behandelt. Für jede ReynoldszahlR und für jede OberflächenspannungT gibt es einen Bereich von Wellenzahlenm, für welche die Strömung instabil ist. Für kleine und für endlicheR wird die Abhängigkeit der Zuwachsrate und der kritischen Wellenzahlm_cr vom Normalspannungskoeffizienten der Flüssigkeit quantitativ untersucht. Während der erste Normalspannungskoeffizient keinen Einfluß auf die Stabilität der Strömung zeigt, hat der zweite Normalspannungskoeffizient die Tendenz, die Strömung weniger stabil zu machen (z. B. größere Zuwachsraten zu liefern). Die kritische Wellenlänge (die der maximalen Instabilität entspricht und infolgedessen die Trennung der sich auf dem Zylinder bildenden Ringe verursacht) ist für die Flüssigkeit zweiter Ordnung größer als für die newtonsche Flüssigkeit. Diese Erscheinungen (größere Zuwachsrate und größere kritische Wellenlänge) sind für konstanten OberflächenspannungsparameterS mit zunehmendemR und/oder zunehmendemb (Dickenparameter des Flüssigkeitsfilms) stärker ausgeprägt. Die Oberflächenspannung wirkt immer stabilisierend. Eine Abnahme in der Oberflächenspannung erhöht die Zuwachsrate, dieser Effekt ist für große Werte des zweiten Normalspannungskoeffizienten stärker ausgeprägt.

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With 12 figures