Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 501, № 1, стр. 38-41

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Исследования проводились на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 1. В качестве модели выступал медный цилиндр 1 диаметром 20 мм и длиной 82 мм с передней кромкой в форме полусферы. Модель погружалась в нагреватель 2, посредством которого имелась возможность ее разогрева. Мощность нагрева регулировалась с помощью автотрансформатора (модель АОСН-8-220-82-УХЛ4) и не превышала 300 Вт.

Капли дистиллированной воды диаметрами от 300 до 800 мкм создавались с помощью специального генератора капель 3, расположенного на расстоянии 95 мм от критической точки модели.

Для удаления окислов меди и прочих загрязнений поверхности модели перед проведением каждого эксперимента медная полусфера шлифовалась до 6-го класса точности. Краевой угол смачивания поверхности измерялся методом одиночной капли и был равен ~60°.

Видеосъемка процесса взаимодействия капель с поверхностью нагретой медной полусферы осуществлялась с использованием высокоскоростной камеры 4 (модель Photron Fastcam SA4) с частотой кадров 5 кГц и экспозицией 20 мкс. С целью улучшения качества видеосъемки использовалась подсветка 5.

Покадровый анализ видеозаписей позволяет получать обширную информацию о следующих основных кинематических, геометрических и временных параметрах, определяющих процесс взаимодействия капель между собой и с поверхностью модели. К этим параметрам относятся: скорости и размеры падающих и отраженных капель, а также крупных “суммарных” капель, образующихся путем коалесценции падающих и отраженных; время взаимодействия сталкивающихся капель; время взаимодействия капель с поверхностью модели; период осцилляции поверхности капель и др.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Цель проведенных экспериментов – установление основных физических механизмов, сопровождающих процесс столкновения капель с поверхностью модели, а также между собой. Эксперименты показали, что процесс деформации капли при столкновении с поверхностью обтекаемого тела увеличивает время ее нахождения на поверхности, что приводит к росту сечения (ядра) столкновений при прочих равных условий. Растекание капли при взаимодействии с моделью увеличивает эффективный размер (до нескольких раз), что также способствует росту сечения столкновений.

В результате выполненных исследований был выявлен следующий эффект. При близком к центральному (малый прицельный параметр) столкновении между падающими и отраженными каплями, имеющими схожие размеры и скорости, происходит их слияние (коалесценция). В результате этого образуется “суммарная” капля с очень малой (близкой к нулю) скоростью. Указанное обстоятельство приводит к росту сечения столкновений, так как “суммарная” капля находится в течение длительного времени (практически левитирует) вблизи поверхности обтекаемого тела и является своеобразной мишенью как для падающих, так и для отраженных капель.

Наглядным подтверждением сказанному может служить рис. 2, на котором приведены выборочные кадры видеозаписи, иллюстрирующие процесс образования капель с околонулевыми скоростями.

Процесс формирования левитирующей капли начинается после столкновения отраженной от модели капли 1 с падающей каплей 2 (рис. 2а). В результате обмена импульсом более крупной капли 1 с более мелкой, но имеющей большую скорость, каплей 2 образуется “суммарная” капля (капля 1 + 2), имеющая низкую (околонулевую) скорость.

Далее образовавшаяся “суммарная” капля претерпевает столкновения с каплями 3, 4 и 5 (рис. 2а–в). Отметим, что столкновения зачастую характеризуются большими значениями прицельного параметра, что оказывает существенное влияние на процесс взаимодействия. Известно, что при больших прицельных параметрах происходит слияние капель с последующим “растягивающим” или “возвратным” их разделением. В условиях близости поверхности модели ситуация меняется качественным образом. Разделения капель, как правило, не происходит. Например, капля 4 проходит через поверхность “суммарной” капли (капля 1 + 2 + 3), достигает поверхности модели, находясь внутри ее (рис. 2б). Затем происходит растекание нижней части вновь образовавшейся крупной капли (капля 1 + 2 + 3 + 4) и последующее ее собирание, сопровождающееся интенсивными осцилляциями ее поверхности. В результате такого взаимодействия происходит смена направления первоначально передаваемого импульса (вниз к поверхности модели) от падающей капли 4, на противоположное направление (вверх от поверхности модели), когда капля 4 поглощается крупной каплей.

Процесс обмена импульсом происходит в несколько стадий. Значительная часть кинетической энергии падающей капли тратится на преодоление поверхностного натяжения левитирующей капли. Затем происходит формирование струйного течения внутри левитирующей капли и его выход через нижнюю поверхность капли. Далее следует растекание струи по поверхности модели и ее последующее собирание. Вследствие этого возникает “поддерживающая” сила, препятствующая осаждению капли на поверхность модели.

Описанный выше механизм возникновения “поддерживающей” силы, направленной вверх (противоположно силе тяжести), способствует продолжительной левитации капель. В результате крупная левитирующая капля могла состоять из 7 (рис. 2г) и более (до 20–25) падающих капель.

Одними из основных безразмерных параметров, определяющих столкновения капель, являются числа Вебера We и Онезорге Oh, имеющие следующий вид

где $\rho $, $\sigma $, $\mu $ – плотность, поверхностное натяжение и динамическая вязкость материала капель соответственно; V_r – относительная скорость; ${{d}_{{d0}}}$ – характерный диаметр капли для построения безразмерных параметров (обычно в качестве него выступает диаметр мелкой капли).

Для условий описываемых экспериментов указанные выше параметры изменялись в диапазоне ${\text{We}} = 12.5{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 25$ и ${\text{Oh}} = 0.0035{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 0.005$.

Описанный выше сценарий формирования вблизи тела крупных капель, левитирующих на протяжении продолжительного времени (до 0.1–0.3 с) около его поверхности, многократно наблюдался в экспериментах.

Таким образом, проведенные эксперименты позволили впервые наблюдать появление левитирующих капель в области критической точки тела, обтекаемого газокапельным потокам. Формирование указанных капель происходит в результате столкновения падающих и отраженных от тела капель. Вследствие сложного процесса обмена импульсом между каплями, сопровождающегося сильной деформацией поверхности капель, возникает сила, препятствующая осаждению левитирующих капель.