Изучение капель жидкости и их поведения при столкновении имеет большое значение во многих областях, в том числе в сельском хозяйстве, технике и медицине. Прогнозирование поведения капель используется в аэрозольной окраске и распылении пестицидов, в струйных технологиях печати и при образовании аэрозолей во время дождя. Поэтому более глубокое понимание этого явления необходимо не только для расширения наших знаний о физике жидкости, но и для развития технологий.
В связи с этим особенно интригующим явлением является разбрызгивание капель при ударе о твердые поверхности. Несколько исследований поведения жидкой пленки помогли пролить свет на разбрызгивание капель. Однако единого мнения относительно того, когда можно ожидать разбрызгивания капли, не существует. Более того, смачивание или легкость, с которой жидкость прилипает к гладким и шероховатым твердым поверхностям, одинаково важно для понимания.
На этом фоне группа ученых из Японии и Китая недавно провела исследование по решению этого вопроса. Исследовательская группа, возглавляемая доцентом Юкихиро Йонемото из Университета Кумамото, Япония, в сотрудничестве с профессором Томоаки Кунуги из Чжэцзянского университета, Китай, предложила новую модель, которая может предсказать, когда капля разбрызгивается после удара о твердую поверхность . Их исследование было опубликовано в журналах Scientific Reports и Colloid and Interface Science Communications.
Когда капля сталкивается с твердой поверхностью, под ударяемой каплей возникает неустойчивая пленка жидкости. Чтобы учесть эту нестабильность, команда модифицировала уравнение энергетического баланса, которое предсказывает растекающуюся площадь контакта для гладких и шероховатых поверхностей.
Чтобы разработать теоретическую модель для прогнозирования условий разбрызгивания, команда рассмотрела баланс давления пленки жидкости. Аналитические результаты, полученные при объединении модифицированного уравнения баланса энергии и уравнения баланса давления, хорошо согласуются с критическим числом Вебера (безразмерная величина, характеризующая течение жидкости на поверхности) для разбрызгивания, полученным экспериментально для капель жидкости водно-этанольной смеси.
Результаты показали, что условия разбрызгивания зависят не только от вязкости жидкости, но и от смачиваемости и шероховатости твердой поверхности. Кроме того, критерий разбрызгивания определялся конкуренцией между гидростатическим и гидродинамическим давлением, которые были движущими силами, и капиллярным давлением и вязким напряжением, которые были противодействующими силами. Разбрызгивание происходило, когда побеждали движущие силы.
Помимо предсказания условий разбрызгивания, модель разбрызгивания также предсказывала размер рассеянных вторичных капель и количество пальцеобразных структур жидкости, которые появлялись после дестабилизации жидкой пленки. Модель указывала на то, что толщина пленки жидкости, образовавшейся после удара капли, связана с размером вторичных капель. Кроме того, размер этих вторичных капель и количество пальцев были взаимосвязаны. Помимо свойств жидкости, на них также влияла смачиваемость/шероховатость поверхности твердого тела.
«Наши результаты могут проложить путь к лучшему пониманию основной физики фрагментации обода или жидкой пленки, а также найти применение в важных областях техники, связанных с печатью, нанесением покрытий и распылением», — говорит д-р Йонемото.
Теги: вода
