The interface shape of a fluid in rigid body rotation about its axis and partially filling the container is often the subject of a homework problem in the first graduate fluids class. In that problem, surface tension is neglected, the interface shape is parabolic and the contact angle boundary condition is not satisfied in general. When surface tension is accounted for, the shapes exhibit much richer dependencies as a function of rotation velocity. We analyze steady interface shapes in rotating right-circular cylindrical containers under rigid body rotation in zero gravity. We pay especial attention to shapes near criticality, in which the interface, or part thereof, becomes straight and parallel to the axis of rotation at certain specific rotational speeds. We examine geometries where the container is axially infinite and derive properties of their solutions. We then examine in detail two special cases of menisci in a cylindrical container: a meniscus spanning the cross section; and a meniscus forming a bubble. In each case we develop exact solutions for the respective axial lengths as infinite series in powers of appropriate rotation parameters; and we find the respective asymptotic behaviors as the shapes approach their critical configuration. Finally we apply the method of asymptotic approximants to yield analytical expressions for the axial lengths of menisci over the whole range of rotation speeds. In this application, the analytical solution is employed to examine errors introduced by the assumption that the interface is a right circular cylinder; this assumption is key to the spinning bubble method used to measure surface tension.


翻译:垂直和部分填充容器的硬体体旋转的界面形状通常是第一个研究生流体类家庭作业问题的主题。 在这个问题中, 表面紧张度被忽略, 界面形状被忽略, 接触角边界条件一般不满足 。 当计算表面紧张度时, 形状显示出更富的依附性, 作为旋转速度的函数 。 我们分析在垂直体旋转的硬体圆柱形容器中以零重力旋转的固定界面形状 。 我们特别注意接近临界度的形状, 即界面或部分界面在特定旋转速度下变得直直和平行。 我们检查容器的偏斜面形状, 并得出其解决方案的属性 。 我们然后详细研究男性圆心形容器中两个特殊的情况: 圆心肌横跨横跨横跨横截段的圆柱形; 和 圆心形形成泡。 在每种情况下, 我们为各个轴轴长度的直线长度, 其界面或部分, 直线或部分, 在特定旋转速度的轴轴轴轴轴轴轴轴上, 直平行的假设轴轴轴轴轴轴轴轴轴轴轴轴轴, 我们发现每个的斜形的曲线是用于这个方向的缩缩缩缩缩图, 。

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