Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 497, № 1, стр. 65-68

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследования топологии замкнутого вихревого течения с помощью бесконтактных оптических методов использовалась установка, изображенная на рис. 2 а, где h – высота цилиндра, L – осевая протяженность циркуляционной ячейки, схематически изображенной под вращающимся диском (стрелки указывают направление движения потока). Исследование проводилось в длинном цилиндрическом контейнере радиуса R = 47 мм и высотой h = 10R, выполненном из оргстекла оптического качества, с верхним вращающимся торцом. Контейнер заполнялся 66%-м водным раствором глицерина. Плотность и кинематическая вязкость при комнатной температуре (22.6°C) составляла 1170 кг/м³ и 11.3 мм²/с соответственно. Для устранения оптических аберраций и термостабилизации цилиндр помещался в стеклянный прямоугольный контейнер, заполненный водой [7–9]. Вихревое движение жидкости генерируется верхним диском, который вращается с угловой скоростью ω, в то время как другие стенки контейнера неподвижны. Интенсивность вихревого движения характеризуется числом Рейнольдса Re = ωR²/ν, где ν – кинематическая вязкость жидкости. Так как вязкость жидкости зависит от температуры, температура контролировалась в течение эксперимента. Температура изменялась не более чем на 0.3°С. При этом изменение температуры даже на 1°С дает погрешность на уровне 2% при Re = 2000.

Изучение топологии вихревого движения проводилось методом визуализации течения в вертикальном сечении, проходящем через ось цилиндра, с помощью лазерного “ножа” толщиной 1 мм. В качестве светорассеивающих добавок использовались полиамидные частицы нейтральной плавучести с диаметром 10 мкм. Глубина проникновения завихренности определялась визуально по изображениям адаптивной трековой системы с вычитанием внешнего фона и осреднении по нескольким изображениям для высокой контрастности [7, 9] в выделенном вертикальном осевом сечении, где треки от периферийного течения сходятся к оси. На вращающийся диск наносились пленки с различными шероховатостями: углубления шириной и глубиной 20 мкм (впадины), возвышения с цилиндрами диаметра 5 мкм и высотой порядка 2 мкм (наросты), равномерная шероховатость с нанотравяным узором (нанотрава). В ходе эксперимента проведено измерение вихревой ячейки для случая гладкой пленки для сравнения влияния структурированной поверхности на распространение закрутки в глубину цилиндра.

Для того чтобы исключить влияние пузырьков воздуха в структурированных поверхностях, было проведено исследование выхода потока на режим Венцеля. При вращении диска воздух вымывается из структур полностью за 1–3 мин, т.е. воздух при погружении пленки вымывался значительно раньше, чем происходил выход потока на режим измерений (более 4 мин).

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 б показана зависимость длины ячейки циркуляции жидкости L, нормированной на радиус цилиндра, от числа Рейнольдса при различных наноструктурах на поверхности вращающегося диска. Наблюдается одинаковая тенденция в увеличении распространения вихревой ячейки вглубь цилиндра для всех типов исследуемых покрытий, что указывает на минимальное влияние случайных ошибок. Показано, что наличие шероховатостей увеличивает осевую протяженность циркуляционной ячейки. В случае пленки с шероховатостью типа “впадины” (линии 20 мкм) эффект незначителен, практически отсутствует при малых и умеренных Re, но при увеличении числа Рейнольдса проявляется, как и в случае других шероховатостей. Наличие микронаростов и нанотравяного узора усиливает эффект увеличения размера вихревой ячейки. В табл. 1 приведено сравнение прироста осевой протяженности вихревой ячейки в процентах относительно гладкой пленки для различных типов шероховатостей: $\Delta L({\text{Re}}) = \frac{{(L({\text{Re}})--{{L}_{{{\text{гл}}}}}({\text{Re}}))}}{{{{L}_{{{\text{гл}}}}}}} \cdot 100$, где L – длина измеряемой ячейки, и L_гл – длина ячейки при гладкой пленке. При числах Рейнольдса 250–10 000 эффект наличия наношероховатостей дает прирост осевой протяженности вихревой ячейки до 11%. Как видно из рис. 2 б и табл. 1, наибольший прирост происходит при Re от 2000 до 4000. Результаты показывают, что наибольший эффект увеличения длины ячейки наблюдается для случая наноразмерных шероховатостей (нанотрава).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведено исследование интенсификации вихреобразования при использовании различных типов наноструктурированной поверхности закручивающего диска, генерирующего вихревую структуру в замкнутом цилиндрическом контейнере. В качестве наностурктурированных поверхностей использовались элементы, моделирующие реальную супергидрофобную поверхность листьев лотоса (нанотрава, впадины и микронаросты). С помощью визуализации течения при различных параметрах крутки верхнего торца цилиндра определены закономерности организации вихревого течения, в зависимости от структуры поверхности вращающегося диска.

Впервые был обнаружен 5–11% -ный прирост осевой протяженности вихря (табл. 1) за счет эффекта наношероховатостей для потоков Венцеля, при отсутствии воздушной прослойки между жидкостью и поверхностью.