Дискретные структуры импакта капли

Автор: Андрей Юрьевич Ильиных

Организация: Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Столкновение капель с поверхностью принимающей жидкости имеет место во многих технологических, технических и природных процессах. Процесс столкновения капли с жидкостью (импакт) сопровождается набором структурных компонентов как крупных (корона, всплеск, каскады вихревых колец), так и мелкомасштабных (пелена мелких струек и брызг, капиллярные волны, лигаменты). Набор компонентов, их геометрические и физические параметры зависят от режима импакта, который задается параметрами задачи (энергетикой капли, физическими и термодинамическими параметрами сред).

В систему уравнений задачи помимо начальных и граничных условий входят уравнения переноса массы, импульса и энергии, а также потенциал Гиббса, включающий дополнительные члены для поверхностного и приповерхностного слоев. Механизмы переноса – предмет актуальных теоретических и экспериментальных исследований. Перенос вещества капли в принимающую жидкость осуществляется посредством вихрей, волн и лигаментов – нитей, связывающих волны и вихри. Эволюция картины переноса вещества капли в принимающую жидкость исследована в данной работе методами фото- и высокоскоростной видеорегистрации с учетом собственных масштабов задачи в широком диапазоне параметров.

Высвобождение доступной потенциальной приповерхностной энергии в области контакта жидкости приводит к формированию новых компонентов течений. Отношение кинетической и потенциальной энергии определяет режим течения: интрузионный для Ek<Es и режим всплеска при Ek>Es [1], где в случае смешивающихся жидкостей экспериментально отмечен дискретный характер распределения вещества капли по поверхности каверны – лигаменты формируют полосы и сетку. Число ярусов сетки иконцентрация вещества капли в структуре зависят кинетической энергии капли [2]. В узлах сетки капельная жидкость формирует вихорьки, проникающие в толщу принимающей жидкости в форме вихревых петель. Циклический эффект наблюдается также в выбросе эшелонов брызг и капелек с вершин шипов венца [3].

Благодарности. Работа выполнена при поддержке РНФ (проект 19-19-00598). Эксперименты проведены на стендах УИУ «ГФК ИПМех РАН».

1. Чашечкин Ю. Д., Ильиных А. Ю. Задержка формирования каверны в интрузивном режиме слияния свободно падающей капли с принимающей жидкостью // ДАН. 2021. Т. 496, № 1. С. 45–50.

2. Ильиных А. Ю. Тонкоструктурные компоненты всплеска капли // ПММ. 2019. Т. 83, № 3. С. 413–427. 

3. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Множественные выбросы брызг при ударе капли // ДАН. 2020, Т 494, с. 42–46.