Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»

Исследователи из Томского политехнического университета вместе с коллегами из Института теплофизики провели исследование. Они с помощью математических расчетов выяснили, как и при каких условиях деформируются капли воды при ударе о твердую поверхность.

Результаты исследования могут помочь в будущем решить задачи вычислительной гидродинамики. Это позволит создать новые технологии струйной печати, распыления краски и противообледенения.

Результаты совместной работы ученых опубликованы в журнале International Communications in Heat and Mass Transfer.

Капли жидкости взаимодействуют с поверхностями, и изучение этого процесса важно для понимания многих явлений в природе и технике.

Сегодня наиболее эффективными методами исследования этого взаимодействия являются компьютерное моделирование и видео- или фотосъемка с последующей обработкой. Иногда требуются дополнительные методы исследования.

Ученые из Томского политеха совместно с коллегами из Института теплофизики СО РАН создали компьютерную модель, которая показывает, как образуются «пальцы» и происходит растекание капли при ударе о твердую поверхность. Чтобы проверить точность модели, ученые сравнили ее с результатами экспериментов.

В ходе экспериментов мы изучали, как ведут себя капли воды и их части, например, края капель, когда они растекаются по поверхности. Мы смотрели, как они меняют свою форму в зависимости от того, какая поверхность под ними, и от размера и скорости капель изначально.

Понимание того, почему у капель появляются «пальцы», когда они растекаются, поможет нам лучше понять, как жидкости взаимодействуют с поверхностями.

В нашем исследовании мы использовали только воду, но метод, который мы разработали, можно применить и к другим жидкостям и поверхностям, — отмечает один из авторов исследования, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ Максим Пискунов.

Исследователи разработали новый метод, который учитывает угол смачивания. Этот угол зависит от того, как быстро растекается капля воды и как она реагирует на воздействие в момент максимального растекания.

Ученые внесли изменения в функцию Хоффмана, чтобы она точнее предсказывала максимальное растекание капли. Новая численная модель лучше прогнозирует, как меняется край капли до того, как она максимально растечется.

Также исследователи выяснили, как меняется форма капли при столкновении, совершенном во время падения с разной скоростью.

Если капля сталкивается с чем-то на небольшой скорости (меньше 0,5 метра в секунду), она остается круглой. Если скорость удара умеренная (от 1,2 до 2 метров в секунду), капля становится многоугольной. А если удар очень быстрый (больше 3 метров в секунду), на капле появляются «пальцы».

Оказалось, что количество «пальцев» зависит от угла, под которым капля ударяется о поверхность. Например, „пальцы“ могут появиться, если у капли выпуклый край, когда она ударяется на небольшой скорости.

Мы смогли точнее подсчитать, сколько «пальцев» у капель. Созданный нами метод позволяет очень точно наносить капли жидкости на определенные поверхности. Это приближает процесс деформации капли и ее нанесения к реальным рабочим процессам.

Кроме того, наше исследование показало, что результаты можно использовать для создания покрытий и слоев. При переносе на реальное производство мы можем регулировать детализацию и качество процесса, — отмечает один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории физической гидродинамики Института теплофизики СО РАН Иван Вожаков.

В будущем ученые хотят продолжить исследования. Они будут изучать, как неровности на стенках влияют на каплю жидкости и ее «поведение». Исследователи также планируют подробнее рассмотреть процессы, которые происходят рядом с местом, где капля соприкасается с поверхностью.

Ранее ученые выяснили, почему капли воды не соединяются на масляной поверхности.

28.01.2025