Перенос вещества на начальном этапе формирования каверны в импактном режиме слияния свободно падающей капли


Просмотр статьи
PDF, 1,3 МБ

Transfer of Matter at the Initial Stage of Cavity Formation in the Impact Mode of Merging a Freely Falling Drop

Using the methods of scientific photo and videography, the geometry of the flow pattern and the distribution of matter of a free-falling liquid drop in a resting target fluid at the initial stage of cavity formation was recorded. The experiments were carried out in the range of parameters of the impact mode of coalescence, when the kinetic energy of the drop exceeds its available potential surface energy (APSE). To register a color image, the flow pattern was simultane-ously illuminated by several sources including matrix LED and fiber-optic sources of constant light. The planning and interpretation of the experiments results were carried out taking into account the properties of the complete solutions of the fluid mechanics fundamental equations system, taking into account the transfer and conversion of energy. The experiments were car-ried out with a single drop of potassium permanganate solution falling into water. In the im-pact mode, the drop begins to lose continuity at the initial contact, when a veil and thin jets are formed, the velocity of which exceeds the drop contact velocity. From the tops of the jets, small droplets are thrown into the air, the size of which grows with time. On the surface of the liquid, the jets leave colored traces that form line and mesh structures. Part of the jets pene-trates through the cavity bottom and forms an intermediate layer. In it, the jets are separated by interfaces of the target fluid. The processes of molecular diffusion equalize the density differ-ence and form an intermediate layer, which is outlined by sharp boundaries, under the cavity.

drop, impact, experiment, fine structure, cavity, substance transfer

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.5.1068


Том 24, выпуск 5, 2023 год



Методами научной фото- и видеографии проведена регистрация геометрии картины течения и рас-пределения вещества свободно падающей капли жидкости в покоящейся принимающей жидкости на начальном этапе формирования каверны. Опыты выполнены в диапазоне параметров импактного режима слияния, когда кинетическая энергия капли превышает ее доступную потенциальную по-верхностную энергию (ДППЭ). Для регистрации цветного изображения картина течения одновре-менно освещалась несколькими источниками – матричными светодиодными и волоконнооптиче-скими источниками постоянного света. Планирование и интерпретация результатов опытов проводились с учетом свойств полных решений системы фундаментальных уравнений, механики жидкостей, учитывающих перенос и конверсию энергии. Опыты выполнены с единичной каплей раствора перманганата калия, падающей в воду. В импактном режиме капля начинает терять сплошность при первичном контакте, когда образуется пелена и тонкие струйки, скорость которых превосходит контактную скорость капли. С вершин струек в воздух выбрасываются капельки, раз-меры которых растут со временем. На поверхности жидкости струйки оставляют окрашенные сле-ды, формирующие линейчатые и сетчатые структуры. Часть струек пронизывает дно и стенки ка-верны и образует промежуточный слой. В нем струйки разделены прослойками принимающей жидкости. Процессы молекулярной диффузии выравнивают разность плотностей и формируют под каверной промежуточный слой, очерченный четкими границами.

капля, импакт, эксперимент, тонкая структура, перенос вещества

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.5.1068


Том 24, выпуск 5, 2023 год



1. Moghtadernejad S., Lee C., Jadidi M. An introduction of droplet impact dynamics to engineering students // Fluids. 2020. V. 5. pp.107. doi:10.3390/fluids5030107
2. Edgerton H.E., Killian Jr. J.R. Flash. Hale, Cushman and Flint: Boston, USA, 1939. 203 p.
3. Zhang L.V., Toole J., Fezzaa K., Deegan R.D. Splashing from drop impact into a deep pool: multiplicity of jets and the failure of conventional scaling // J. Fluid Mech. 2012. V. 703. pp. 402–413. DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2012.249
4. Lee J.S., Weon B.M., Park S.J., Kim J.T., Pyo J., Fezzaa K., Je J.H. Air evolution during drop impact on liquid pool // Sci. Reports. 2020. V. 10. pp. 5790. https://doi.org/10.1038/s41598-020-62705-5
5. Thoroddsen S.T., Etoh T.G., Takehara K. High-speed imaging of drops and bubbles // Ann. Rev. of Fluid Mech. 2008. V. 40(1). pp. 257–285. DOI: 10.1146/annurev.fluid.40.111406.102215
6. Li E.Q., Thoraval M.-J., Marston J.O., Thoroddsen S.T. Early azimuthal instability during drop impact // J. Fluid Mech. 2018. V. 848. pp. 821–835. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.383 821
7. Lherm V., Deguen R. Velocity field and cavity dynamics in drop impact experiments // J. of Fluid Mech. 2023. V. 962, A21. doi:10.1017/jfm.2023.297
8. Zhang L.V., Brunet P., Eggers K., Deegan R.D. Wavelength selection in the crown splash // Phys. of Fluids. 2010. V. 22(12). pp. 122105. doi:10.1063/1.3526743
9. Чашечкин Ю. Д., Прохоров В. Е. Гидродинамика удара капли: короткие волны на поверхности венца // Доклады РАН. 2013. Т. 451(1). с. 41–45. DOI: 10.7868/S0869565213190109
10. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Распределение вещества капли в принимающей жидкости в интрузивном режиме слияния // Физ.-хим. кин. в газовой динамике. 2022. V. 23(6). с. 1–18. http://chemphys.edu.ru/issues/2022-23-6/articles/1023
11. Чашечкин Ю. Д., Ильиных А. Ю. Тонкая структура картины распределения вещества свободно падающей капли на поверхности и в толще принимающей жидкости в импактном режиме слияния // Физ.-хим. кин. в газовой динамике. 2023. Т. 24(2). с.1043. http://chemphys.edu.ru/issues/2023-24-2/articles/1043/
12. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкостей. МИР: М., 1973. 776 с.
13. Okabe J., Inoue S. The generation of vortex rings // II. Rep. Res. Inst. Appl. Mech., Kyushu University. 1961. V. 9. pp. 147–161.
14. 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(4). pp. 374. https://doi.org/10.3390/axioms12040374.
15. Li E.Q., Thoraval M.-J., Marston J.O., Thoroddsen S.T. Early azimuthal instability during drop impact // J. Fluid Mech. 2018. V. 848. pp. 821–835.
https://doi.org/10.1017/jfm.2018.383 821
16. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Полосчатые структуры в картине распределения вещества капли по поверхности принимающей жидкости // Доклады РАН. 2018. Т. 481(2). c. 145–150. DOI: 10.31857/S086956520001192-4
17. 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
18. Ray B., Biswas G, Sharma A. Regimes during liquid drop impact on a liquid pool // J. of Fluid Mech. 2015. V. 768. pp. 492–523.
doi:10.1017/jfm.2015.108
19. Berberovic E., Van Hinsberg N. P., Jakirlic S., Roisman I. V., Tropea C. Drop impact onto a liquid layer of finite thickness: dynamics of the cavity evolution // Phys. Rev. 2009. V.79(3). 036306. DOI: 10.1103/PhysRevE.79.036306
20. 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(4). pp. 045301. doi:10.1103/physreve.86.045301
21. 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
22. Chashechkin Y.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axioms. 2021. V. 10. pp. 286. https://doi.org/10.3390/axioms10040286
23. Gibbs J.W. Elementary principles in statistical mechanics // Scribner's and sons: New York, US, 1902. 207 p.
24. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
25. Muller P. The equations of oceanic motions. Cambridge: CUP. 2006. 292 p.
26. Feistel R. Thermodynamic properties of seawater, ice and humid air: TEOS-10, before and beyond // Ocean Sci. 2018. V.14. pp. 471–502. https://doi.org/10.5194/os-14-471-2018
27. Harvey A. H, Hrubý J., Meier K. Improved and always improving: reference formulations for thermophysical properties of water // J. of Phys. and Chem. Ref. Data. 2023. V.52. pp. 011501. DOI: 10.1063/5.0125524
28. Nayfeh A.H. Introduction to Perturbation Techniques. John Wiley & Sons: New York, USA, 2011. 533 p.
29. Chashechkin Yu.D. Singularly perturbed components of flows – linear precursors of shock waves // Math. Model. Nat. Phenom. 2018. V. 13(2). pp. 1–29. https://doi.org/10.1051/mmnp/2018020
30. Chashechkin Yu.D., Ochirov A.A. Periodic waves and ligaments on the surface of a viscous exponentially stratified fluid in a uniform gravity field // Axioms. 2022. V. 11(8). pp. 402. doi: 10.3390/axioms11080402
31. Чашечкин Ю.Д., Кистович А.В. Классификация трехмерных периодических течений в жидкости // Доклады РАН. 2004. Т. 395(1). с. 55–58.
32. Chashechkin Yu.D. Conventional partial and new complete solutions of the fundamental equations of fluid mechanics in the problem of periodic internal waves with accompanying ligaments generation // Mathematics. 2021. V. 9(6). pp. 586. https://doi.org/10.3390/math9060586
33. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Гидрометеоиздат: Л., 1975. 280 с.
34. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Перенос вещества капли в толщу принимающей жидкости в начальной стадии процесса слияния // Известия РАН. Мех. жидк. и газа. 2023. Т. 1. с. 54–68. DOI: 10.31857/S056852812260031X
35. Malenkov G. G. Structure and dynamics of surfaces of thin films and water microdroplets // Colloid J. 2010. V. 72(5). pp. 649–659. DOI: 10.1134/S1061933X1005011X
36. УИУ “ГФК ИПМех РАН”: Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере. Сайт: http://www.ipmnet.ru/uniqequip/gfk/#equip
37. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Формирование системы наклонных петель в течениях импакта капли // Доклады РАН. Физ., техн. науки. 2021. Т. 499. с. 39–48.
DOI: 10.31857/S2686740021040052.
38. Чашечкин Ю.Д. Эволюция тонкоструктурного распределение вещества свободно падающей капли в смешивающихся жидкостях // Известия РАН. Физ. атм. и океана. 2019. Т. 55(3). с. 67–77. DOI: 10.1134/S0001433819020026
39. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Распад капли на отдельные волокна на границе области контакта с принимающей жидкостью // Доклады РАН. Физ., техн. науки. 2021. T. 497. с. 31–35. DOI: 10.31857/S2686740021020139
40. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Множественные выбросы брызг при ударе капли // Доклады РАН. 2020. Т. 494. с. 42–46. DOI: 10.31857/S2686740020050181
41. Chashechkin Yu. D. Oscillations and short waves on a free falling drop surface (Experiment and Theory) // Proceedings Topical Problems of Fluid Mechanics 2019, Prague, February 20-22, 2019. pp. 45–52. https://doi.org/10.14311/TPFM.2019.007
42. Thoroddsen S. T, Etoh T. G., Takehara K. Air entrapment under an impacting drop // J. Fluid Mech. 2003. V. 478. pp. 125–134. DOI: 10.1017/S0022112002003427
43. Zhu G. Z. Li Z. H., Fu D. Y. Experiments on ring wave packet generated by water drop // Chinese Sci. Bull. 2008. V. 53(11). pp. 1634–1638. DOI: 10.1007/s11434-008-0246-0
44. Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. A new method for modeling surface tension effects on fluid // J. of Comp. Phys. 1992. V. 100(2). pp. 335–354. https://doi.org/10.1016/0021-9991(92)90240-Y
45. Чашечкин Ю. Д., Ильиных А. Ю. Капиллярные волны на поверхности погружающейся в жидкость капли // Доклады РАН. 2015. Т. 465(4). с. 434–440. DOI: 10.7868/S0869565215340101