Брызги импакта капли при высоких температурах и плотностях жидкостей
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Состав и траектория разлета брызг при столкновении капли с жидкостью, представляют научный и практический интерес (системы охлаждения и пожаротушения, распространение инфекций, фармакология) и определяются условиями задачи – кинематическими и термодинамическими параметрами, физическими характеристиками взаимодействующих сред. В процессе формирования брызг важную роль играют процессы конверсии и передачи энергии (кинетической, поверхностной, внутренней) капли в принимающую среду, определяющие дискретный характер течения [1].
Особый интерес в гидродинамике импакта представляет влияние разницы плотностей и температур взаимодействующих сред. В экспериментах [2] методами фото- и видеорегистрации прослежена эволюция течений, образованных при погружении капель воды в перегретое подсолнечное масло и жидкий расплав металла (сплав Розе: 25% олово, 25% свинец, 50% висмут, нагретый до жидкого состояния при T=200-280°C).
В данной работе основное внимание уделяется классификации, составу и энергетике тонких струек (стримеров) и систем мелких брызг, образованных в процессе столкновения капли воды со слоем расплавленного металла. При сохранении основных структурных компонентов течений, эволюция брызг заметно отличается от наблюдаемой в традиционной постановке задачи.
Проведенная классификация последовательно вылетающих систем брызг включает семь этапов, для каждого из которых проведен анализ числа, размеров, состава, траекторий и энергий брызг и стримеров. При уничтожении приповерхностных слоев и выделении доступной потенциальной поверхностной энергии мелкие брызги радиально вылетают из области контакта. На втором и третьем этапе капли с вершин шипов и стримеров вылетают в широком диапазоне углов. Крупные водные капли с вкраплениями газовых пузырьков выбрасываются с вершины всплеска при распаде центральной струйки, вскипание капельного вещества формирует облака капель лопающихся пузырей (мелкие, летят в разные стороны). Более крупные капли захватывают обе среды, состоят из металлического ядра с водной оболочкой. На последней стадии на поверхности металла образуются металлические стримеры, с вершин которых выбрасываются металлические капли.
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. Множественные выбросы брызг при ударе капли // ДАН. 2020, Т 494, с. 42–46.
2. Yakush S. E., Chashechkin Y. D., Ilinykh A. Y., Usanov V. A. The splashing of melt upon the impact of water droplets and jets // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, no. 3. P. 909
