Коллаборация ученых Томского политехнического университета и Института теплофизики СО РАН провела численное исследование и математически рассчитала, как и при каких условиях происходит деформация капель воды при ударении с твердой поверхностью. Численный подход позволил на семь процентов точнее предсказывать процесс растекания капель после удара. Результаты исследования ученых могут лечь в основу решения задач вычислительной гидродинамики, например, создания новых технологий струйной печати, распыления лакокрасочных изделий и противообледенения.
Ученые ТПУ проводят исследования капель / © Пресс-служба ТПУ
Результаты совместной работы ученых опубликованы в журнале International Communications in Heat and Mass Transfer (Q1, IF: 6,4).
Взаимодействие капель жидкости с поверхностями является важнейшей проблемой экспериментальных, численных и теоретических исследований, поскольку оно помогает объяснить многочисленные явления в природе и технических приложениях. Наиболее перспективными методами обоснования протекающих процессов при ударе капли о поверхность сегодня являются численное моделирование и видео-, фотофиксация с последующей постобработкой. Однако зачастую только вместе эти подходы могут дать более четкое представление о физике процесса, иногда требуются и дополнительные методы исследований.
Ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политеха совместно с коллегами из Института теплофизики СО РАН разработали численную модель того, как образуются «пальцы» и происходит динамика растекания капли при ее ударе о твердую поверхность. Для проверки точности разработанной модели ученые сравнили ее с экспериментальными данными.
«В экспериментах капля и ее отдельные компоненты, например, обод растекающейся капли, по-разному деформируется в зависимости от характеристик стенки и начальных параметров капли (ее скорости и диаметра). Понимание процесса деформации капли, например, появление у нее «пальцев» при растекании вдоль поверхности, позволит лучше понять физику процесса взаимодействия жидкостей и поверхностей. В данном исследовании мы работали только с водой, но разработанный метод может быть адаптирован и под другие жидкости и поверхности», — отмечает один из авторов исследования, доцент Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова ТПУ Максим Пискунов.
Разработанный численный подход подразумевает учет контактного угла смачивания, который зависит от скорости контактной линии растекающейся капли воды и гистерезиса (мгновенного отклика на воздействие) контактного угла в прерывистой функции Хоффмана в момент максимального растекания капли воды вдоль поверхности. Такая модификация функции Хоффмана способствовала заметному увеличению точности прогнозирования максимального растекания капли, поскольку численная модель начала адекватнее предсказывать динамическую деформацию обода капли до момента ее максимального растекания.
Кроме того, совместно ученые установили некоторые закономерности в расчетах деформации капель. Так, исследования показали, что форма капли и образование на ней «пальцев» зависит от скорости соударения: при взаимодействии с низкой скоростью (меньше 0,5 метров в секунду) пятно капли сохраняет форму круга, при умеренной скорости (от 1,2 до двух метров в секунду) капля образует многоугольник, а при высокой скорости (больше трех метров в секунду) на капле образуются «пальцы».
Результаты исследования показали, что наличие и количество «пальцев» зависит от угла контакта. Например, если капля имеет выпуклую форму обода при низких скоростях удара, из него образуются «пальцы».
«Результаты нашего численного исследования позволили до семи процентов точнее оценить количество «пальцев» у капель. Разработанный метод задает очень высокую планку в отношении прецизионности осаждения капель жидкости на определенные поверхности, максимально приближая процесс деформации одиночной капли и ее нанесения на поверхность к реальным рабочим процессам. К тому же, исследование показало возможность масштабировать результаты до покрытий и слоев, регулируя детализацию и качество интегрально при переносе на реальный производственный процесс», — отмечает один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории физической гидродинамики Института теплофизики СО РАН Иван Вожаков.
В будущем ученые планируют развить исследование за счет изучения влияния шероховатости стенки на формирование критической длины волны и количество «пальцев» при деформации капли жидкости и ее обода, а также более детального исследования процессов вблизи линии контакта.
Комментарии
Если что Институт теплофизики СО РАН находится в Новосибирске :)