Сибирские ученые создали матмодель соударения капли с твердой поверхностью
![Капля воды](/static/files/93a16f810a90.jpg)
Численное исследование, позволившее математически рассчитать процесс деформации капель воды при соударении с твердой поверхностью, результаты которого будут востребованы при решении задач вычислительной гидродинамики, провел коллектив ученых Томского политехнического университета (ТПУ) и Института теплофизики СО РАН, 28 января сообщает пресс-служба ТПУ.
Использованный учеными численный подход на 7% точнее предсказывает процесс растекания капель после удара. Полученные результаты исследования могут помочь при создании, например, новых технологий струйной печати, распыления лака или краски на изделия с различной поверхностью, а также распыления на поверхности защитных, антикоррозийных или противообледенительных веществ.
Проблема взаимодействия капель жидкости с поверхностями является предметом множества экспериментальных, численных и теоретических исследований, направленных на объяснение множества явлений в природе и технических приложениях.
В настоящее время наиболее перспективными методами обоснования протекающих при ударе капли о поверхность процессов считаются численное моделирование и видео-, фотофиксация с последующей постобработкой. При этом более четкое представление о физике процесса часто может дать только совместное использование этих подходов. Однако иногда требуются и дополнительные методы исследований.
Для решения этой задачи ученые из лаборатории тепломассопереноса Томского политеха и Института теплофизики СО РАН разработали численную модель процесса образования «пальцев» и динамики растекания капли при ее ударе о твердую поверхность. Точность модели они проверили по результатам, полученным экспериментально.
Один из авторов исследования, доцент Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова ТПУ Максим Пискунов пояснил:
«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».
Хотя в проведенном исследовании ученые изучали только водяные капли, но разработанный ими метод можно адаптировать для других жидкостей и поверхностей.
В численном подходе сибирских исследователей учитывается контактный угол смачивания поверхности, который зависит от скорости перемещения контактной линии растекающейся капли воды и гистерезиса (мгновенного отклика на воздействие — ред.) контактного угла в прерывистой функции Хоффмана в момент максимального растекания капли воды вдоль поверхности.
Проведенная ими модификация функции Хоффмана позволила заметно увеличить точность прогнозирования максимального растекания капли за счет более адекватного предсказания моделью динамической деформации обода капли до момента ее максимального растекания.
Также были выявлены некоторые закономерности в расчетах деформации капель. Исследования показали, что форма капли и образование на ней «пальцев» зависит от скорости соударения. Так, пятно капли сохраняет форму круга при низких скоростях (меньше 0,5 м/с), при умеренных скоростях соударения (от 1,2 до 2 м/с), растекаясь, капля образует многоугольник, а «пальцы» на капле образуются при высоких скоростях (более 3 м/с).
Однако возникновение и количество «пальцев» определяется также углом контакта: когда обод капли имеет выпуклую форму, то «пальцы» из него образуются при низких скоростях удара.
«Результаты нашего численного исследования позволили до 7% точнее оценить количество „пальцев“ у капель, — отметил другой автор исследования, старший научный сотрудник лаборатории физической гидродинамики Института теплофизики СО РАН Иван Вожаков. — 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».
Кроме того, данное исследование показало, что можно масштабировать полученные результаты до покрытий и слоев, регулируя интегрально детализацию и качество при переносе на реальный производственный процесс, указал ученый.
Результаты совместной работы исследователи представили в статье «Численное прогнозирование поведения линии контакта при столкновении капли со стенкой с помощью модифицированной модели динамического угла контакта, основанной на функции Хоффмана» (Numerical contact line behavior prediction for droplet-wall impact by the modified Hoffman-function-based dynamic contact angle model), опубликованной в журнале International Communications in Heat and Mass Transfer (Q1, IF: 6,4).
Ученые намерены далее развивать тему исследования, изучая влияние шероховатости стенки на формирование критической длины волны и количество «пальцев» при деформации капли жидкости и ее обода, а также детальнее исследовать процессы, происходящие в капле вблизи линии контакта.