The influence of solubility on the structure of the cavity bottom during droplet merging in the impact mode
The multipoint lighting was used to visualize the flow pattern created by a freely falling drop in a fluid at rest. The initial stage of merging a drop of potassium permanganate solution with water, drop of water with a solution of ammonium thiocyanate, and spreading a drop of aniline and crude oil in a pool of water was studied. The main attention was paid to the analysis of the flow pattern near the bottom of the cavity in the impact mode, when the kinetic energy of the drop significantly exceeds its potential surface energy. An "intermediate layer" is formed un-der the bottom of the cavity upon contact of the mixing liquids. This layer is a product of dis-solution of thin fibers of the droplet substance invading the target fluid. Poorly soluble aniline partially pushes through the bottom of the cavity. Crude oil does not penetrate through the sur-face of the liquid at the initial stage of flow in this mode. The values of traditional dimen-sionless parameters that are Reynolds, Froude, Weber, Bond, Ohnesorge numbers, and addi-tional ones that are the ratios of energy components and their densities, as well as relative densities and surface tension coefficients of contacting media values are presented
Методом многоточечной подсветки выполнена визуализация картины течения, создаваемого сво-бодно падающей каплей в покоящейся жидкости. Изучен начальный этап слияния капли раствора перманганата калия с водой, капли воды с раствором роданида аммония, а также растекания капли анилина или нефти в бассейне с водой. Основное внимание уделено анализу картины течения около дна каверны в импактном режиме, когда кинетическая энергия капли заметно превышает ее потен-циальную поверхностную энергию. Под дном каверны при контакте смешивающихся жидкостей образуется «промежуточный слой» – продукт растворения тонких волокон вещества капли, втор-гающихся в принимающую жидкость. Слабо растворимый анилин частично продавливает дно ка-верны. Нефть на начальном этапе не проникает сквозь поверхность жидкости в условиях опыта. Проведены значения как традиционных безразмерных параметров – чисел Рейнольдса, Фруда, Ве-бера, Бонда, Онезорге, так и дополнительных – отношений компонентов энергии и их плотностей, а также относительных плотностей и коэффициентов поверхностного натяжения контактирующих сред
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. Lond. 1885. V. 29. pp. 417–436 2. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Погружение свободно падающей капли и последующий всплеск: тонкие структуры течений // Проблемы эволюции открытых систем. 2016. Т. 19. Вып. 2. c. 2–30 3. Kim D., Lee J., Bose A., Kim I., Lee J. The impact of an oil droplet on an oil layer on water // J. Fluid Mech. 2021. V. 906. A5. DOI: 10.1017/jfm.2020.791 4. Оkabe J., Inoue S. The Generation of Vortex Rings II // Rep. Res. Inst. Appl. Mech. 1961. V.9. pp. 147–161 5. Rodriguez F., Mesler R. The penetration of drop-formed vortex rings into pools of liquid // J. Colloid Interface Sci. 1988. V. 121(1). pp. 121–129. DOI: 10.1016/0021-9797(88)90414-6 6. Степанова Е.В, Чашечкин Ю.Д. Перенос маркера в составном вихре // Изв. РАН. МЖГ. 2010. №6. C. 12–29 7. Zhang Y., Mu Z., Wei Y., Jamil H., Yang Y. Evolution of the heavy impacting droplet: via a vortex ring to a bifurcation flower // Phys. of Fluids. 2021. V. 33. pp. 113603. DOI: 10.1063/5.0064072 8. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Перенос вещества капли в толщу принимающей жидкости в начальной стадии процесса слияния // Известия РАН. МЖГ. 2023. № 1. С. 54–68. DOI: 10.31857/S056852812260031X 9. Chashechkin Yuli D., Ilinykh Andrey Yu. Fine flow structure at the miscible fluids contact domain boundary in the impact mode of free-falling drop coalescence // Fluids. 2023. V.8(10). pp. 269. DOI: 10.3390/fluids8100269 10. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Множественные выбросы брызг при ударе капли // Доклады РАН. 2020. Т. 494. С. 42–46. DOI: 10.31857/S2686740020050181 11. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Перенос вещества капли при формировании первичной кавер-ны // Доклады РАН. 2023. Т. 508. С. 42–52. DOI: 10.31857/S2686740022060062 12. 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. Fluid Sci. 2016. V.77. pp. 246–256. DOI:10.1016/j.expthermflusci.2016.04.020 13. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю., Хайирбеков Ш. Начальный этап слияния составной капли в импактном режиме // Известия РАН. МЖГ. 2024. № 2. С.35–51. DOI: 10.31857/S1024708424020045 14. Ильиных А.Ю., Чашечкин Ю.Д. Гидродинамика погружающейся капли: несмешивающиеся жидкости // Известия РАН. МЖГ. 2020. Т. 55. № 2. С. 169–176 15. 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. DOI:10.3390/axioms12040374 16. Thoraval M.-J., Takehara K., Etoh T. G., Thoroddsen S.T. Drop impact entrapment of bubble rings // J. Fluid Mech. 2013. V. 724. pp. 234–258. DOI: 10.1017/jfm.2013.147 17. 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. 18. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды.Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 279 с. 19. Li E. Q., Thoraval M.-J., Marston J. O., Thoroddsen S. T. Early azimuthal instability during drop im-pact // J. Fluid Mech. 2018. V. 848. pp. 821–835. DOI: 10.1017/jfm.2018.383 20. Чашечкин Ю. Д., Ильиных А. Ю. Распад капли на отдельные волокна на границе области кон-такта с принимающей жидкостью // Доклады РАН. Физика, технические науки. 2021. Т. 497, № 1. С. 31–35. DOI: 10.31857/S2686740021020139 21. Chashechkin Yu.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axioms. 2021. V.10. pp. 286. https://doi.org/10.3390/axioms10040286
