Сибирские исследователи пересчитали «пальцы» у капель

Ученые из Томского политехнического университета и Института теплофизики СО РАН провели интересное численное исследование. Они математически рассчитали, как деформируются капли воды при ударе о твердую поверхность. Этот метод позволил исследователям на 7 процентов точнее предсказывать процесс растекания капель после удара. Полученные результаты могут быть использованы в различных задачах вычислительной гидродинамики, таких как создание новых технологий струйной печати, распыление лакокрасочных изделий и противообледенение.

Сибирские ученые 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 метра в секунду) пятно капли сохраняет форму круга, при умеренной скорости (от 1,2 до 2 метров в секунду) капля образует многоугольник, а при высокой скорости (больше 3 метров в секунду) на капле образуются «пальцы».

Результаты исследования показали позволили до 7 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.