Падение удара

В гидродинамике капля капли происходит, когда жидкости ударяется удар о твердую или жидкую поверхность. Конечный результат зависит от свойств капли, поверхности и окружающей жидкости , которой чаще всего является газ .

На сухой твердой поверхности

Когда капля жидкости ударяется о сухую твердую поверхность, она обычно растекается по поверхности, а затем втягивается, если удар достаточно силен, чтобы заставить каплю растекаться больше, чем она обычно растекается из-за статического отступающего угла контакта. Конкретный результат воздействия зависит главным образом от размера капли, скорости, поверхностного натяжения , вязкости , а также от шероховатости поверхности и угла контакта капли с поверхностью. ^{[ 1 ]} Параметры воздействия капель, такие как время контакта и режим воздействия, можно изменять и контролировать различными пассивными и активными методами. ^{[ 2 ]}

Краткое изложение возможных результатов

Говорят, что «осаждение» происходит, когда капля растекается по поверхности при ударе и остается прикрепленной к поверхности в течение всего процесса удара, не распадаясь. ^{[ 1 ]} Этот результат является типичным для воздействия небольших капель с низкой скоростью на гладкие смачиваемые поверхности.
Результат «быстрого всплеска» возникает при ударе капли о шероховатую поверхность и характеризуется образованием капель на линии контакта (где встречаются твердое тело, газ и жидкость) в начале процесса растекания капли по поверхности. поверхности, когда жидкость имеет высокую скорость движения наружу. ^{[ 1 ]}
При пониженном поверхностном натяжении слой жидкости может оторваться от стенки, что приведет к «выплеску короны». ^{[ 3 ]}

На смачиваемой поверхности может произойти «отступающий разрыв», когда жидкость отступает от максимального радиуса растекания из-за того, что угол контакта уменьшается во время отвода, в результате чего некоторые капли остаются позади отступающей капли. ^{[ 1 ]} На супергидрофобных поверхностях втягивающаяся капля может распасться на несколько пальцев, каждый из которых способен к дальнейшему разрушению, вероятно, из-за капиллярной нестабильности. ^{[ 3 ]} Было замечено, что такие капли-спутники отрываются от ударяющейся капли как во время фазы распространения, так и втягивания. ^{[ 4 ]}
Результат «отскок» и «частичный отскок» может возникнуть, когда капля отступает после удара. Когда капля приближается к точке удара, кинетическая энергия схлопывающейся капли заставляет жидкость выдавливаться вверх, образуя вертикальный столб жидкости. Случай, когда капля частично остается на поверхности, но выбрасывает одну или несколько капель сверху, известен как частичный отскок, тогда как случай, когда вся капля покидает твердую поверхность из-за этого движения вверх, известен как полный отскок. ^{[ 3 ]} Разница между отскоком и частичным отскоком вызвана уменьшением угла контакта капли с поверхностью. При низких значениях происходит частичный отскок, а при высоких — полный (при условии, что капля откатывается с достаточной кинетической энергией). ^{[ 1 ]} Добавление в воду полимеров, таких как ксантан, изменяет ее реологические свойства, превращая ее из ньютоновской жидкости в вязкоупругую. Следовательно, эта модификация влияет на форму капли при отскоке от твердой поверхности. ^{[ 5 ]}

На супергидрофобных поверхностях

Небольшая деформация при падении

На супергидрофобных поверхностях наблюдается отскок капель жидкости от твердой поверхности. Ришар и Кере показали, что небольшая капля жидкости способна отскочить от твердой поверхности более 20 раз, прежде чем остановиться. ^{[ 6 ]} Особый интерес представляет продолжительность времени, в течение которого капля остается в контакте с твердой поверхностью. Это важно в таких приложениях, как теплообмен и обледенение самолетов. Чтобы найти взаимосвязь между размером капли и временем контакта при ударах с малым числом Вебера (We << 1) на супергидрофобные поверхности (которые испытывают небольшую деформацию), необходимо найти простой баланс между инерцией ( $\rho R/\tau ^{2}$ ) и капиллярность ( $\sigma /R^{2}$ ) можно использовать, ^{[ 7 ]} следующее:

$\rho R/\tau ^{2}\propto \sigma /R^{2}$

где $\rho$ – плотность капли, R – радиус капли, $\tau$ - характерный масштаб времени, а $\sigma$ – поверхностное натяжение капли.

Это дает

$\tau \propto {\sqrt {\rho /\sigma }}R^{3/2}$ .

В этом режиме время контакта не зависит от скорости. Минимальное время контакта капли с низкой деформацией (We << 1) аппроксимируется периодом колебаний низшего порядка для сферической капли. ^{[ 8 ]} придавая характеристическому времени префактор примерно 2,2. ^{[ 9 ]} Для капель большой деформации (We > 1) наблюдается одинаковое время контакта, хотя динамика воздействия различна, как обсуждается ниже. ^{[ 9 ]} Если капля разделена на несколько капель, время контакта сокращается. ^{[ 9 ]}

Создавая конические поверхности с большим расстоянием между ними, падающая капля будет демонстрировать нелогичное подпрыгивание блина, характеризующееся отскоком капли в конце распространения без втягивания, что приводит к сокращению времени контакта примерно на 80%. ^{[ 10 ]}

Значительная деформация при падении

С увеличением числа Вебера увеличивается и деформация капли при ударе. Характер деформации капли можно разделить на режимы на основе числа Вебера. ^{[ 7 ]}

При We << 1 существенной деформации не происходит.
При We порядка 1 капля испытывает значительную деформацию и несколько уплощается на поверхности.
При We ~ 4 на капле образуются волны.
При We ~ 18 капли-спутники отрываются от капли, которая теперь представляет собой вытянутый вертикальный столб.
При больших We (величина которых зависит от конкретной структуры поверхности) многие капли-сателлиты отрываются при растекании и/или втягивании капли. ^{[ 4 ]}

На мокрой твердой поверхности

При ударе капли жидкости о влажную твердую поверхность (поверхность, покрытую тонким слоем жидкости, превышающим высоту шероховатостей поверхности) происходит либо растекание, либо разбрызгивание. ^{[ 3 ]} Если скорость ниже критического значения, жидкость будет растекаться по поверхности, аналогично описанному выше осаждению. Если скорость превысит критическую скорость, произойдет разбрызгивание и может возникнуть ударная волна. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} Разбрызгивание тонких пленок жидкости происходит в виде короны, подобно тому, как это наблюдается на сухих твердых поверхностях. В надлежащих условиях капля, попадающая на границу раздела жидкости, также может демонстрировать супергидрофобное подпрыгивание, характеризующееся временем контакта, динамикой распространения и коэффициентом восстановления, независимым от свойств основной жидкости. ^{[ 13 ]}

На жидкой поверхности

Когда капля жидкости ударяется о поверхность резервуара с жидкостью, она либо плавает, отскакивает, сливается с резервуаром или разбрызгивается. ^{[ 14 ]} В случае всплывания капля будет плавать на поверхности в течение нескольких секунд. Сообщается, что чистота поверхности жидкости очень важна для способности капель плавать. ^{[ 15 ]} Отскок капель может происходить на возмущенных поверхностях жидкости. ^{[ 14 ]} Если капля способна разорвать тонкую пленку газа, отделяющую ее от резервуара с жидкостью, она может слиться. Наконец, с более высоким числом Вебера удары падения (с большей энергией) вызывают разбрызгивание. В режиме разбрызгивания ударная капля создает на поверхности жидкости кратер, за которым следует венец вокруг кратера. центральная струя, называемая струей Рэлея или струей Уортингтона . Кроме того, из центра кратера выступает ^{[ 14 ]}^{[ 16 ]} Если энергия удара достаточно высока, струя поднимается до точки, где она отрывается, отправляя одну или несколько капель вверх с поверхности.

См. также

Всплеск (механика жидкости)

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Риобо, Ромен, Кэмерон Тропеа и Марко Маренго. «Результаты удара падения о твердые поверхности». Распыление и спреи 11.2 (2001)
^ Бирун, Мехди Х.; Ли, Цзе; Тао, Ран; Рахмати, Мохаммед; Макхейл, Глен; Донг, Линьси; Джанги, Мехди; Торунь, Хамди; Фу, Юнцин (12 августа 2020 г.). «Акустические волны для активного сокращения времени контакта при ударе капель» . Применена физическая проверка . 14 (2): 024029. Бибкод : 2020PhRvP..14b4029B . doi : 10.1103/PhysRevApplied.14.024029 . S2CID 225429856 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ярин А.Л. «Динамика удара капли: разбрызгивание, растекание, удаление, подпрыгивание…». Анну. Преподобный Fluid Mech. 38 (2006): 159–192.
^ Jump up to: ^а ^б Цай, Пейчун и др. «Капельное воздействие на микро- и наноструктурированные супергидрофобные поверхности». Ленгмюр 25.20 (2009): 12293-12298
^ Бирун, Мехди Х.; Хаворт, Люк; Абдольнежад, Хосейн; Хосрави, Араш; Агравал, Прашант; Макхейл, Глен; Торунь, Хамди; Семпребон, Чиро; Джаббари, Масуд; Фу, Юн-Цин (25 апреля 2023 г.). «Динамика воздействия неньютоновских капель на супергидрофобные поверхности» . Ленгмюр . 39 (16): 5793–5802. doi : 10.1021/acs.langmuir.3c00043 . ISSN 0743-7463 . ПМЦ 10134492 . ПМИД 37041655 .
^ Ричард, Д. и Д. Кере. «Прыгающие капли воды». ЭПЛ 50.6 (2000): 769
^ Jump up to: ^а ^б Ришар, Дени, Кристоф Клане и Давид Кере. «Поверхностные явления: время контакта с прыгающей каплей». Природа 417.6891 (2002): 811-811.
^ Рэлей, Лорд. «О капиллярных явлениях струй». Труды Лондонского королевского общества 29.196–199 (1879): 71–97.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Бёрд, Джеймс С. и др. «Уменьшение времени контакта прыгающей капли». Природа 503.7476 (2013): 385-388.
^ Яхуа Лю, Лиза Моевиус, Синьпэн Сюй, Тиечжэн Цянь, Джулия М Йоманс, Цзуанкай Ван «Блин, подпрыгивающий на супергидрофобных поверхностях», Nature Physics, 10, 515-519 (2014).
^ Фудзисава, К.; Ямагата, Т.; Фудзисава, Н. (2018). «Демпфирующее влияние на ударное давление от удара капли жидкости о мокрую стену». Летопись атомной энергетики . 121 : 260–268. Бибкод : 2018AnNuE.121..260F . doi : 10.1016/j.anucene.2018.07.008 . S2CID 125953516 .
^ Халлер, К.К.; Вентикос, Ю.; Пуликакос, Д.; Монкевиц, П. (сентябрь 2002 г.). «Расчетное исследование высокоскоростного удара капель жидкости». Журнал прикладной физики . 92 (5): 2821–2828. Бибкод : 2002JAP....92.2821H . дои : 10.1063/1.1495533 . ISSN 0021-8979 .
^ Чонглей Хао, Цзин Ли, Юань Лю, Сяофэн Чжоу, Яхуа Лю, Ронг Лю, Луфэн Че, Вэньчжун Чжоу, Донг Сун, Лоуренс Ли, Лэй Сюй, Цзуанькай Ван «Супергидрофобно-подобная настраиваемая капля, подпрыгивающая на скользких границах раздела жидкостей». Природные коммуникации, дои : 10.1038/ncomms8986
^ Jump up to: ^а ^б ^с Рейн, Мартин. «Явления воздействия капель жидкости на твердые и жидкие поверхности». Исследования гидродинамики 12.2 (1993): 61-93.
^ Рейнольдс, Осборн. «О плавании капель на поверхности воды в зависимости только от чистоты поверхности». Учеб. Манчестер Лит. Фил. Сок 21.1 (1881)
^ Джамали, М.; Ростамиджаванани, А.; Нури, Нью-Мексико; Навидбахш, М. (01.09.2020). «Экспериментальное исследование каверн и струйных образований Уортингтона, вызванных падением сферы в масляную пленку на воде» . Прикладные исследования океана . 102 : 102319. Бибкод : 2020AppOR.10202319J . дои : 10.1016/j.apor.2020.102319 . ISSN 0141-1187 . S2CID 225306877 .

[Rioboo-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Риобо, Ромен, Кэмерон Тропеа и Марко Маренго. «Результаты удара падения о твердые поверхности». Распыление и спреи 11.2 (2001)

[2] Бирун, Мехди Х.; Ли, Цзе; Тао, Ран; Рахмати, Мохаммед; Макхейл, Глен; Донг, Линьси; Джанги, Мехди; Торунь, Хамди; Фу, Юнцин (12 августа 2020 г.). «Акустические волны для активного сокращения времени контакта при ударе капель» . Применена физическая проверка . 14 (2): 024029. Бибкод : 2020PhRvP..14b4029B . doi : 10.1103/PhysRevApplied.14.024029 . S2CID 225429856 .

[Yarin-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ярин А.Л. «Динамика удара капли: разбрызгивание, растекание, удаление, подпрыгивание…». Анну. Преподобный Fluid Mech. 38 (2006): 159–192.

[Tsai-4] Jump up to: ^а ^б Цай, Пейчун и др. «Капельное воздействие на микро- и наноструктурированные супергидрофобные поверхности». Ленгмюр 25.20 (2009): 12293-12298

[5] Бирун, Мехди Х.; Хаворт, Люк; Абдольнежад, Хосейн; Хосрави, Араш; Агравал, Прашант; Макхейл, Глен; Торунь, Хамди; Семпребон, Чиро; Джаббари, Масуд; Фу, Юн-Цин (25 апреля 2023 г.). «Динамика воздействия неньютоновских капель на супергидрофобные поверхности» . Ленгмюр . 39 (16): 5793–5802. doi : 10.1021/acs.langmuir.3c00043 . ISSN 0743-7463 . ПМЦ 10134492 . ПМИД 37041655 .

[Richard2000-6] Ричард, Д. и Д. Кере. «Прыгающие капли воды». ЭПЛ 50.6 (2000): 769

[Richard2002-7] Jump up to: ^а ^б Ришар, Дени, Кристоф Клане и Давид Кере. «Поверхностные явления: время контакта с прыгающей каплей». Природа 417.6891 (2002): 811-811.

[8] Рэлей, Лорд. «О капиллярных явлениях струй». Труды Лондонского королевского общества 29.196–199 (1879): 71–97.

[Varanasi-9] Jump up to: ^а ^б ^с Бёрд, Джеймс С. и др. «Уменьшение времени контакта прыгающей капли». Природа 503.7476 (2013): 385-388.

[Liu_2014-10] Яхуа Лю, Лиза Моевиус, Синьпэн Сюй, Тиечжэн Цянь, Джулия М Йоманс, Цзуанкай Ван «Блин, подпрыгивающий на супергидрофобных поверхностях», Nature Physics, 10, 515-519 (2014).

[11] Фудзисава, К.; Ямагата, Т.; Фудзисава, Н. (2018). «Демпфирующее влияние на ударное давление от удара капли жидкости о мокрую стену». Летопись атомной энергетики . 121 : 260–268. Бибкод : 2018AnNuE.121..260F . doi : 10.1016/j.anucene.2018.07.008 . S2CID 125953516 .

[12] Халлер, К.К.; Вентикос, Ю.; Пуликакос, Д.; Монкевиц, П. (сентябрь 2002 г.). «Расчетное исследование высокоскоростного удара капель жидкости». Журнал прикладной физики . 92 (5): 2821–2828. Бибкод : 2002JAP....92.2821H . дои : 10.1063/1.1495533 . ISSN 0021-8979 .

[Hao_2015-13] Чонглей Хао, Цзин Ли, Юань Лю, Сяофэн Чжоу, Яхуа Лю, Ронг Лю, Луфэн Че, Вэньчжун Чжоу, Донг Сун, Лоуренс Ли, Лэй Сюй, Цзуанькай Ван «Супергидрофобно-подобная настраиваемая капля, подпрыгивающая на скользких границах раздела жидкостей». Природные коммуникации, дои : 10.1038/ncomms8986

[Rein-14] Jump up to: ^а ^б ^с Рейн, Мартин. «Явления воздействия капель жидкости на твердые и жидкие поверхности». Исследования гидродинамики 12.2 (1993): 61-93.

[15] Рейнольдс, Осборн. «О плавании капель на поверхности воды в зависимости только от чистоты поверхности». Учеб. Манчестер Лит. Фил. Сок 21.1 (1881)

[16] Джамали, М.; Ростамиджаванани, А.; Нури, Нью-Мексико; Навидбахш, М. (01.09.2020). «Экспериментальное исследование каверн и струйных образований Уортингтона, вызванных падением сферы в масляную пленку на воде» . Прикладные исследования океана . 102 : 102319. Бибкод : 2020AppOR.10202319J . дои : 10.1016/j.apor.2020.102319 . ISSN 0141-1187 . S2CID 225306877 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]