Fine Structure of the Compound Drop Substance Distribution in the Target Fluid in the Splash Formation Mode


View article
PDF, 1.4 MB


The evolution of the regular fine structure of the distribution pattern of a colored substance during the spreading of a freely falling compound drop in deep water was traced for the first time using technical photo and video recording methods. The flow pattern was studied at the initial stage of the formation of the cavity and crown during the merging of a compound drop, the core of which, a drop of alizarin ink solution, was covered with an oil shell. Banded struc-tures were observed in the distribution of the colored liquid at the bottom of the cavern and the walls of the crown. The formation of banded elements of the flow pattern is associated with the influence of the processes of conversion of available potential surface energy (APSE) dur-ing the destruction of the contact surfaces of merging liquids. The position of the nucleus in the drop was not controlled and was determined by the formation conditions. The breakdown of the ink core into fibers was observed in all experiments in this series. The area of coverage of the surface of the cavity and the crown with the colored liquid reached a maximum at the central position of the core.

compound drops, experiment, cavity, crown, fiber structures

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.5.1073


Volume 24, issue 5, 2023 year


Тонкая структура распределения вещества составной капли в принимающей жидкости в режиме формирования всплеска

Эволюция регулярной тонкой структуры картины распределения окрашенного вещества при растекании свободно падающей составной капли в глубокой воде впервые прослежена методами технической фото- и видеорегистрации. Изучалась картина течения на начальном этапе формирования каверны и венца при слиянии составной капли, ядро которой – капля раствора ализариновых чернил, было покрыто масляной оболочкой. В картине распределения окрашенной жидкости на дне каверны и стенках венца наблюдались полосчатые структуры. Формирование полосчатых элементов картины течений связывается с влиянием процессов конверсии доступной потенциальной поверхностной энергии (ДППЭ) при уничтожении контактных поверхностей сливающихся жидкостей. Положение ядра в капле не контролировалось и определялось условиями формирования. Распад чернильного ядра на волокна наблюдался во всех опытах данной серии. Площадь покрытия поверхности каверны и венца окрашенной жидкостью достигала максимума при центральном положении ядра.

составные капли, эксперимент, каверна, венец, волокнистые структуры.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.5.1073


Volume 24, issue 5, 2023 year



1. Thomson J.J., Newall H.F. On the formation of vortex rings by drops falling into liquids, and some allied phenomena // Proc. R. Soc. London. 1885. V. 29. pp. 417–436.
2. Worthington A. The splash of the drop. Series “The romance of science”, E. & J.B. Young & Co: New York, USA, 1895. 92 p.
3. Blanken N., Saleem M.S., Thoraval M.-J., Antonini C. Impact of compound drops: a per-spective // Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2020. V.51. pp. 101389. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2020.09.002
4. Agbaglah G., Thoraval M.-J., Thoroddsen S., Zhang L., Fezzaa K., Deegan R. Drop impact into a deep pool: vortex shedding and jet formation // J. of Fluid Mech. 2015. V. 764. pp. R1–12. DOI: 10.1017/jfm.2014.723
5. Thoroddsen S. T., Etoh T. G., Takehara K. High-Speed Imaging of Drops and Bubbles // Ann. Rev. of Fluid Mech. 2008. V. 40. no. 1. pp. 257–285. doi:10.1146/annurev.fluid.40.111406.102215
6. Lohse D. Fundamental fluid dynamics challenges in inkjet printing // Ann. Rev. Fluid Mech. 2022. V. 54. pp. 349. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-022321-114001
7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Наука: M., 1986. 736 с.
8. Müller P. The equations of oceanic motions. CUP: Cambridge, UK, 2006. 302 p.
9. Chashechkin Y. D., Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axi-oms. 2021. V. 10. no. 4. pp. 286. https://doi.org/10.3390/axioms10040286
10. Gibbs J.W. Elementary principles in statistical mechanics. Scribner's and sons: New York, US, 1902. 207 p.
11. Feistel R. Thermodynamic properties of seawater, ice and humid air: TEOS-10, before and beyond // Ocean. Sci. 2018. V. 14. pp. 471–502.
12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. ГИФМЛ: М., 1958. 206 p.
13. Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. A continuum method for modelling surface tension // J. Comput. Phys. 1992. V. 100. no. 2. pp. 335–354. doi:10.1016/0021-9991(92)90240-y
14. Bisighini A., Cossali G. E., Tropea C., Roisman I.V. Crater evolution after the impact of a drop onto a semi-infinite liquid target // Phys. Rev. 2010. E 82 (3, Pt.2), pp. 036319. DOI: 10.1103/PhysRevE.82.036319
15. Popinet S. Numerical models of surface tension // Ann. Rev. Fluid Mech. 2018. V.50. pp. 49–75. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-122316-045034
16. Castrejón-Pita A. A., Castrejón-Pita J. R., Hutchings I. M. Experimental observation of von Kármán vortices during drop impact // Phys. Rev. 2012. V. 86. no. 4. pp. 045301. doi:10.1103/physreve.86.045301
17. Das S.K., Dalal A., Breuer M., Biswas G. Evolution of jets during drop impact on a deep liquid pool // Phys. Fluids. 2022. V. 34. pp. 022110. https://doi.org/10.1063/5.0081064
18. Rein M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces // Fluid Dyn. Re-search. 1993. V. 12. no. 2. pp. 61–93. doi:10.1016/0169-5983(93)90106-k
19. Wang L., Thoraval M.-J. Air-in-liquid compound drop impact onto a pool // Phys. Fluids. 2022. V. 34. pp. 102101. DOI: 10.1063/5.0086745
20. Sapei L., Naqvi M.A., Rousseau D. Stability and release properties of double emulsions for food applications // Food Hydrocolloids. 2012. V. 27. no. 2. pp. 316–323. DOI:10.1016/j.foodhyd.2011.10.008
21. Johnson R.E., Sadhal S.S. Fluid mechanics of compound multiphase drops and bubbles // Ann. Rev. of Fluid Mech. 1985. V. 17. no.1. pp. 289–320. doi:10.1146/annurev.fl.17.010185.001445
22. Kolesky D.B., Truby R.L., Gladman A.S., Busbee T.A., Homan K.A., Lewis J.A. 3D bio-printing of vascularized, heterogeneous cell-laden tissue constructs // Adv. Mater. 2014. V. 26. pp. 3124–3130. https://doi.org/10.1002/adma.201305506
23. Kan H.C., Udaykumar H.S, Shyy W., Tran-Son-Tay R. Hydrodynamics of a compound drop with application to leukocyte modeling // Phys. Fluids. 1998. V. 10. no.4. pp. 760–774. DOI:10.1063/1.869601
24. Kim D., Lee J., Bose A., Kim I., Lee J. The impact of an oil droplet on an oil layer on water // J. of Fluid Mech. 2020. V. 906. DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2020.791
25. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Гидрометеоиздат: Л. 1975. 280 с.
26. Чашечкин Ю.Д. Пакеты капиллярных и акустических волн импакта капли // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2021. Т. 94. №1. c. 73–92. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2021-1-73-92
27. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Задержка формирования каверны в интрузивном ре-жиме слияния свободно падающей капли с принимающей жидкостью // Доклады РАН. 2021. Т. 496. с. 34–39. DOI: 10.31857/S268674002101003X
28. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Распределение вещества капли в принимающей жид-кости в интрузивном режиме слияния // Физ.-хим. кинетика в газовой динамике. 2022. T. 23. № 6. c. 1–18. http://chemphys.edu.ru/issues/2022-23-6/articles/1023
29. Chashechkin Yu.D., Ilinykh A. Y. Intrusive and impact modes of a falling drop coalescence with a target fluid at rest // Axioms. 2023. V. 12. no.4. pp. 374. https://doi.org/10.3390/axioms12040374
30. Чашечкин Ю. Д., Ильиных А. Ю. Тонкая структура картины распределения вещества свободно падающей капли на поверхности и в толще принимающей жидкости в им-пактном режиме слияния // Физ.-хим. кинетика в газовой динамике. 2023. Т. 24. № 2. c. 1043. DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.2.1043
31. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Распад капли на отдельные волокна на границе об-ласти контакта с принимающей жидкостью // Доклады РАН. Физика, Технические науки. 2021. T. 497. с. 31–35. DOI: 10.31857/S2686740021020139
32. Ersoy N.E., Eslamian M. Capillary surface wave formation and mixing of miscible liquids during droplet impact onto a liquid film // Phys. Fluids. 2019. V.31. pp. 012107. https://doi.org/10.1063/1.5064640
33. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Перенос вещества капли в толщу принимающей жид-кости в начальной стадии процесса слияния // Изв. РАН. МЖГ. 2023. № 1, с. 54–68. DOI: 10.31857/S056852812260031X
34. Kuhlman J.M., Hillen N.L. Droplet impact cavity film thickness measurements versus time after drop impact and cavity radius for thin static residual liquid layer thicknesses // Exp. Therm. and Fluid Sci. 2016. V. 77. pp. 246–256. doi:10.1016/j.expthermflusci.2016.04.020
35. Чашечкин Ю.Д. Визуализация тонкой структуры возмущений поверхности жидкости течениями, вызванными упавшей каплей // ПMM. 2019. Т. 83. №3. c. 403–412. DOI: 10.1134/S0032823519030032
36. Чашечкин Ю.Д. Эволюция тонкоструктурного распределение вещества свободно па-дающей капли в смешивающихся жидкостях // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 3. с. 67–77. DOI: 10.1134/S0001433819020026
37. УИУ “ГФК ИПМех РАН”: Гидрофизический комплекс для моделирования гидроди-намических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные техниче-ские объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере. Сайт: http://www.ipmnet.ru/uniqequip/gfk/#equip.