ГИДРОДИНАМИКА И АКУСТИКА СЛИЯНИЯ КАПЛИ С ЖИДКОСТЬЮ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ


Просмотр статьи
PDF, 2,0 МБ

HYDRODYNAMICS AND ACOUSTICS OF DROP-LIQUID MERGING IN AN ELECTROSTATIC FIELD

Synchronous recording of the flow pattern and sound packets formed during the merging of a drop of distilled water into water surface under an electrostatic field with a potential of 2 kV was carried out for the first time at the CDD (Charged Drop Dynamics) stand, which is part of the unique equipment "GFK IPMech RAS". The experiments were carried out in the impact mode, when the falling drop forms a cavity, a splash, a secondary cavity, from which a gas cavity breaks away, emitting a retarded sound packet. In an electrostatic field, a sound-emitting bubble of complex shape breaks away from the cylindrical end of the second cavity without forming a thin bridge observed when the bubble breaks away with the voltage turned off. Selections from a video film illustrating the evolution of the fine structure of the flow during sound generation, chronogram of the position of the lowest point of the cavity and an audiogram of acoustic pressure are given. The primary and retarded sound packets of which both the amplitudes and the main frequencies change non-monotonically, are measured and analyzed.

drop, electrostatics, collision, cavity, bubble, sound packet

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.3.1188


Том 26, выпуск 3, 2025 год



Синхронная регистрация картины течения и звуковых пакетов, формирующихся при слиянии капли дистиллированной воды с поверхностью воды в электростатическом поле с потенциалом кВ впервые проведена на стенде ДЗК, входящем в УИУ «ГФК ИПМех РАН». Опыты выполнены в импактном режиме, когда падающая капля формирует каверну, всплеск, вторичную каверну, от которой отрывается газовая полость, излучающая запаздывающий звуковой пакет. В электростатическом поле излучающий звук пузырь сложной формы отрывается от цилиндрического окончания второй каверны без формирования тонкой перетяжки, наблюдаемой при отрыве пузыря с выключенным напряжением. Приведены выборки из видеофильма, иллюстрирующие эволюцию тонкой структуры течения при генерации звука, хронограмма положения нижней точки каверны и аудиограмма акустического давления. Выделены и проанализированы первичный и запаздывающие звуковые пакеты, в которых и амплитуда, и частота наполнения изменяются немонотонно.

капля, электростатика, столкновение, каверна, пузырь, звуковой пакет

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.3.1188


Том 26, выпуск 3, 2025 год



1. Cha J.W., Koo H.J., Kim B.Y., Belorid M., Hwang H.J., Kim H.K., Chang K.-H., Lee Y.H. Analysis of Rain Drop Size Distribution to Elucidate the Precipitation Process using a Cloud Microphysics Conceptual Model and In Situ Measurement // Asia-Pac. J. Atmos. Sci. 2023. V. 59. Pp. 257–269. https://doi.org/10.1007/s13143-022-00299-w
2. Devrankar M., Dhulekar K. A Comparative study on cloud drops // Intern. Res. J. Innov. Engin. Techn. (IRJIET). 2020. V. 4(1). Pp. 1–4.
3. Ali M., Bilal K., Khan S.U., Zomaya A. DROPS: Division and Replication of Data in the Cloud for Optimal Performance and Security // IEEE Transactions on Cloud Computing. 2015. V. 6(99). Pp.1–17. DOI: 10.1109/TCC.2015.2400460
4. Kathiravelu G., Lucke T., Nichols P. Rain Drop Measurement Techniques: A Review // Water. 2016. V. 8(1). P. 29. DOI:10.3390/w8010029
5. Terry J. A rain splash component analysis to define mechanisms of soil detachment and transportation // Austr. J. Soil Res. 1998. V. 36(3). Pp. 525–542. DOI: 10.1071/S97078
6. Karim A. Physics of droplet impact on various substrates and its current advancements in interfacial science: A review // J. Appl. Phys. 2023. V. 133. P. 030701. DOI: 10.1063/5.0130043
7. Чашечкин Ю.Д. Закономерности распределения вещества свободно падающей окрашенной капли в прозрачной принимающей жидкости (обзор) // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2025. № 1. С. 34–76.
8. Prosperetti A., Ogũz H. The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain // Ann. Rev. Fluid Mech. 1993. V. 25. Pp. 577–602. DOI: 10.1146/annurev.fl.25.010193.003045
9. Versluis M. High-speed imaging in fluids // Exp. Fluids. 2013. V.54(2). Pp.1–55. DOI: 10.1007/s00348-013-1458-x
10. Xu Q., Peters I., Wilken S., Brawn E., Jaeger H. Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids // J. of visual. exp. 2014. http://dx.doi.org/10.3791/51249
11. Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е. Аэро- и гидроакустика удара свободно падающей капли о поверхность воды // Доклады РАН. 2010. Т. 434(1). С. 51–55.
12. Pumphrey H. C., Crum L. A., Bjørnø L., Underwater sound produced by individual drop impacts and rainfall // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V. 85. Pp. 1518–1526.
13. Phillips S., Agarwal A., Jordan P. The sound produced by a dripping tap is driven by resonant oscillations of an entrapped air bubble // Sci. Reports. 2018. V. 8(1). Pp.1–12. DOI:10.1038/s41598-018-27913-0
14. Prokhorov V.E. Underwater gas bubbles produced by droplet impact: mechanism to trigger volumetric oscillations // Phys. Fluids. 2023. V. 35. P. 033314. https://doi.org/10.1063/5.0140484
15. Gillot G., Derec C., Genevaux J.-M., et al. A new insight on a mechanism of air-borne and underwater sound of a drop impacting a liquid surface // Phys. Fluids. 2020. V. 32(6). P. 062004.
16. Mudiar D., Pawar S., Gopalakrishnan V., et al. Electric field enlarges rain drops beneath electrified clouds: Observational evidence // Geophysical Research Letters. 2021. V. 48. P. e2021GL093577. DOI: 10.1029/2021GL093577
17. Григорьев А.И, Ширяева С.И. Этюды о грозе: Огни св. Эльма, свечение воронок смерчей, разные молнии. М.: Директ-Медиа, 2021.
18. Zeleny J. The electrical discharge from liquid points, and a hydrostatic method of measuring the electric intensity at their surfaces // Phys. Rev. 1914. V. 3(2), Pp. 69–91. DOI:10.1103/PhysRev.3.69
19. Tucker N., Stanger J., Staiger M.P., et al. The history of the science and technology of electrospinning from 1600 to 1995 // J. of Eng. Fibers and Fabrics, Special iss. 2012. V.7(2). Pp. 63–71. DOI:10.1177/155892501200702S10
20. Wesdemiotis С., Williams-Pavlantos K., Keating A., et al. Mass spectrometry of polymers: A tutorial review // Mass. Spec. Rev. 2023. Pp. 1–50. DOI: 10.1002/mas.21844
21. Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е. Андросенко В.Н. Моделирование влияния электрического поля на капельные течения // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Т. 24(4). C. 15. DOI: 10.33257/PhChGD.24.4.1057
22. Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е. Влияние электрического поля на динамику структурных компонентов течения при гравитационном отрыве капли воды // Известия РАН. МЖГ. 2024. №. 3. С. 29–42.
23. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.
24. Chashechkin Yu.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axioms. 2021. V. 10. P. 286. DOI: 10.3390/axioms10040286
25. Feistel R. Thermodynamic properties of seawater, ice and humid air: TEOS-10, before and beyond // Ocean Sciences. 2018. V. 14. Pp. 471–502.
26. Harvey A., 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. P. 011501. DOI: 10.1063/5.0125524
27. Notz P.K., Basaran O.A. Dynamics of drop formation in an electric field // J. of Colloid and Interface Sci. 1999. V. 213(1). Pp. 218–237. doi:10.1006/jcis.1999.6136
28. 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). P. 374. https://doi.org/10.3390/axioms12040374.
29. 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: site: https://ipmnet.ru/uniqequip/gfk/