Fully developed two-dimensional free-surface liquid layer flow over a three-dimensional obstacle

物理 流量(数学) 障碍物 自由面 分层流 曲面(拓扑) 机械 图层(电子) 流动可视化 经典力学 几何学 纳米技术 湍流 法学 材料科学 数学 政治学
作者
Mansaier Lin,Jitesh S. B. Gajjar
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:37 (6)
标识
DOI:10.1063/5.0270600
摘要

This paper presents a novel asymptotic framework to analyze steady two-dimensional free-surface flows over three-dimensional topography at high Reynolds numbers on an inclined plane. Departing from classical triple-deck theory, the study develops a double-deck scaling that uniquely captures the interaction between fully developed viscous flow and free-surface dynamics. The proposed methodology bridges a critical gap in existing analyses that predominantly focus on the depth averaged equations, or thin layer approximations. Through matched asymptotic expansions, the analysis derives a system of nonlinear partial differential equations governing the viscous-inviscid interaction, explicitly incorporating surface tension effects through Weber number dependence. Linearized analytical solutions are obtained for small obstacles via Fourier transforms and special functions, while numerical solutions of the full nonlinear system are obtained for larger obstacles using spectral methods. The nonlinear solutions reveal distinct and complex free-surface patterns controlled by obstacle size, Weber number (We), and inclination parameter (s), demonstrating the mechanisms governing the interaction between viscous effects and free-surface wave dynamics.
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