Formation of a Floating Up Vortex at the Merging of an Ethanol Droplet with Water in the Intrusive Mode




The pattern evolution of a 95% ethanol aqueous solution drop dyed by brilliant green merging with water was traced using high-speed video recording. In the traditional sequence of flows recorded in the intrusive mode (including the inflow of a drop into the liquid bulk with the formation of a lenticular intrusion, the delayed formation, development and collapse of the cavern, the transformation of the intrusion into a plunging ring vortex) in the merging pattern of a drop of a mixing lighter liquid, a new type of vortex ring is observed. When the maximum depth is reached, a compact volume containing drop matter is separated from the center of the pointed bottom of the cavity into the liquid bulk. The gradually submerging volume transforms into a small annular vortex, which, having reached its maximum depth, stops and forms a compact secondary intrusion of a cylindrical shape. Next, the intrusion, in which the lighter liquid of the drop is partially preserved, begins to float up and gradually transforms into a new ring vortex. The rising vortex leaves a cylindrical trace in the target liquid with a shell colored by the of drop pigment. The diameter of the vortex gradually increases, the trace takes on a bottle-shaped shape.

experiment, fluids of different densities, intrusion, cavern, submerging and rising vortices, trace


Volume 25, issue 2, 2024 year


Формирование всплывающего вихря при слиянии капли этанола с водой в интрузивном режиме

Эволюция картины слияния капли 95% водного раствора этанола, подкрашенного бриллиантовым зеленым, с водой прослежена методом высокоскоростной видеорегистрации. В традиционной по-следовательности течений, регистрируемых в интрузивном режиме, включающей втекание капли в толщу жидкости с образованием чечевицеобразной интрузии, запаздывающее формирование, разви-тие и коллапс каверны, трансформацию интрузии в погружающийся кольцевой вихрь, в картине слияния капли смешивающейся более легкой жидкости наблюдается кольцевой вихрь нового типа. При достижении максимальной глубины от центра заостренного дна каверны в толщу жидкости от-деляется компактный объем, содержащий жидкость капли. Постепенно погружающийся объем трансформируется в небольшой кольцевой вихрь, который, достигнув максимальной глубины, оста-навливается и образует компактную вторичную интрузию цилиндрической формы. Далее интрузия, в которой частично сохраняется более легкая жидкость капли, начинает всплывать и постепенно трансформируется в новый кольцевой вихрь. Всплывающий вихрь оставляет в принимающей жид-кости цилиндрический след, оболочка которого окрашивается пигментом капли. Диаметр вихря по-степенно увеличивается, след принимает бутылкообразную форму

эксперимент, разноплотные жидкости, интрузия, каверна, погружающийся и всплывающий вихри, след


Volume 25, issue 2, 2024 year



1. Rogers W.B. On the formation of rotating rings by air and liquids under certain conditions of dis-charge. Amer. J. Sci., Second Ser. 1858. vol. 26. pp. 246–258.
2. Worthington A.M. On impact with a liquid surface. Proc. R. Soc. Lond. 1882. vol. 34. pp. 217–230. https://doi.org/10.1098/rspl.1882.0035
3. 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. vol. 29. pp. 417–436.
4. Zeleny J. The electrical discharge from liquid points, and a hydrostatic method of measuring the electric intensity at their surfaces. Phys. Rev. 1914. vol. 3(2), pp. 69–91. doi:10.1103/PhysRev.3.69
5. Thompson D.W. On growth and form. Cambridge University Press: Cambridge, UK. 1917. 793 p.
6. Оkabe J., Inoue S. The generation of vortex ring. Kyushu Univ. Rep. Res. Inst. Appl. Mech. 1960. vol. 8(32), pp.91–101.
7. Batchelor G.K. An introduction to fluid dynamics. CUP: Cambridge, UK. 1967. 615 p.
8. Rodriguez F., Mesler R. The penetration of drop-formed vortex rings into pools of liquid. J. Colloid Interface Sci.1988. vol. 121(1). pp. 121–129. doi:10.1016/0021-9797(88)90414-6
9. Lee J.S., Park S.J., Lee J.H., Weon B.M., Fezzaa K., Je J.H. Origin and dynamics of vortex rings in drop splashing. Nature Commun. 2015. vol. 6(1). doi:10.1038/ncomms9187
10. Saha A., Wei Y., Tang X., Law C.K. Kinematics of vortex ring generated by a drop upon impacting a liquid pool. J. of Fluid Mech. 2019. vol. 875. pp. 842–853. doi:10.1017/jfm.2019.503
11. Stepanova E.V., Chashechkin Yu.D. Marker transport in a composite vortex. Fluid Dyn. 2010. vol. 45(6). pp. 843–858. DOI: 10.1134/S0015462810060025
12. Chashechkin Yu.D. Transfer of the substance of a colored drop in a liquid layer with travelling plane gravity–capillary waves. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Phys. 2022. vol. 58(2). pp. 188–197. DOI: 10.1134/S0001433822020037
13. Gao T.-C., Chen R.-H., Pu J.-Y., Lin T.-H. Collision between an ethanol drop and a water drop. Exp. in Fluids. 2005. vol. 38(6). pp. 731–738. doi:10.1007/s00348-005-0952-1
14. Chashechkin Yu.D., Ilinykh A.Yu. Distribution of the drop substance in the target fluid at the coalescence intrusive mode. Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics. 2022. vol. 23(6). pp. 1–18. http://chemphys.edu.ru/issues/2022-23-6/articles/1023
15. Chashechkin Yu.D., Ilinykh A.Y. Intrusive and impact modes of a falling drop coalescence with a target fluid at rest. Axioms. 2023. vol. 12(4). pp. 374. doi:10.3390/axioms12040374
16. Landau L.D., Lifshitz E.M. Gidrodinamika. M.: Nauka, 1986. 736 p. (in Russ.)
17. Feistel R. Thermodynamic properties of seawater, ice and humid air: TEOS-10, before and beyond. Ocean Sciences. 2018. vol. 14. pp. 471–502.
18. Chashechkin Y.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows. Axioms. 2021. vol. 10(4). pp. 286. https://doi.org/10.3390/axioms10040286
19. GFK IPMech RAS: Hydrophysical Complex for Modeling Hydrodynamic Processes in the Environment and their Impact on Underwater Technical Objects, as well as the Spread of Impurities in the Ocean and Atmosphere. http://www.ipmnet.ru/uniqequip/gfk/#equip.
20. Chashechkin Yu.D., Ilinykh A.Y. Delay of cavity formation in the intrusive coalescence of a free falling drop with target fluid. Doklady Physics. 2021. vol. 66(1). pp. 20–25. DOI: 10.1134/S102833582101002X