Томские ученые математически и экспериментально показали, как у капель появляются «пальцы»
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Биологи нашли особый тип стволовых клеток, которые просыпаются в среднем возрасте и активно производят новый жир на животе. Открытие сделали благодаря масштабным экспериментам на мышах и анализу человеческих тканей. Результат объяснил природу возрастного ожирения и дал новую цель для будущих лекарств.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Масштабный анализ ДНК показал, что леопарды в Капской области ЮАР измельчали не из-за случайных мутаций при вырождении популяции, а в результате целенаправленной эволюционной адаптации к местной среде обитания.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Биологи нашли особый тип стволовых клеток, которые просыпаются в среднем возрасте и активно производят новый жир на животе. Открытие сделали благодаря масштабным экспериментам на мышах и анализу человеческих тканей. Результат объяснил природу возрастного ожирения и дал новую цель для будущих лекарств.
На протяжении десятилетий Тель-Авив воздерживался от этого шага, чтобы не испортить отношения с Турцией. Но после действий Израиля 2023-2026 годов официальная Анкара, как и множество государств мира, неоднократно осуждала Израиль, из-за чего изменилась и его позиция по геноциду.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно