Тонкая структура картины распределения вещества свободно падающей капли на поверхности и в толще принимающей жидкости в импактном режиме слияния


Просмотр статьи
PDF, 2,5 МБ

Fine Structure of the Substance Distribution Pat-tern of a Free – Falling Drop on the Surface and in the Thickness of the Target Fluid in the Impact Mode of Merging

High-speed video recording was used have been used to trace the evolution of the matter trans-fer pattern of a free-falling drop in a target fluid at rest in the impact mode of coalescence, when the kinetic energy (KE) of the drop exceeds its available potential surface energy (APSE). The combined use of transparent and colored fluids enables simultaneously traces the deformation of the free surface and the evolution of the matter transfer pattern in the thickness and on the surface of the target fluid. In the impact mode, a drop merging with a fluid at rest breaks up into individual fibers that form linear and mesh structures on the surface of the cav-ity and crown. Selected frames in lateral and frontal projections illustrate the main forms of a rapidly evolving pattern of matter distribution, composed of individual fibers. Given schemes of flow in intrusive and impact modes present the domains of rapid internal energy transforma-tion where the free surface of coalescing fluids is eliminated. The influence of energy trans-formation processes on the formation of the fine structure of flows, the main components of which, ligaments, are described by singular solutions of the system of fundamental equations, is discussed.

drop, cavity, crown, matter transfer, fibers, energy.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.2.1043


Том 24, выпуск 2, 2023 год



Эволюция картины переноса вещества свободно падающей капли в покоящейся принимающей жид-кости в импактном режиме слияния, когда кинетическая энергия (КИ) капли превышает ее доступ-ную потенциальную поверхностную энергию (ДППЭ) изучена методами высокоскоростной видео-регистрации. Совместное применение прозрачных и окрашенных жидкостей позволяет одновременно прослеживать деформацию свободной поверхности и эволюцию картины переноса вещества в толще и на поверхности принимающей жидкости. В импактном режиме сливающаяся с покоящейся жидкостью капля распадается на отдельные волокна, образующие линейчатые и сетча-тые структуры на поверхности каверны и венца. Выборки из видеограмм в боковой и фронтальной проекциях иллюстрируют основные формы быстро эволюционирующей картины распределения вещества, составленной из отдельных волокон. Приводятся схемы течения в интрузивном и импакт-ном режимах, построенные с учетом локализации областей быстрой трансформации внутренней энергии при уничтожении свободной поверхности сливающихся жидкостей. Обсуждается влияние процессов трансформации энергии на формирование тонкой структуры течений, основные компо-ненты которой – лигаменты – описываются сингулярными решениями системы фундаментальных уравнений.

капля, каверна, венец, перенос вещества, волокна, энергия

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.2.1043


Том 24, выпуск 2, 2023 год



1. Worthington A.M., Cole R.S. Impact with a liquid surface, studied by the aid of instantaneous photog-raphy. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 1897, 189, 137–148 https://doi.org/10.1098/rspl.1899.0014
2. Edgerton, H.E., Killian Jr., J.R. Flash!: Seeing the unseen by ultra high-speed photography. Hale, Cushman and Flint: Boston, USA. 1939. 203 p.
3. Peck, B.; Sigurdson L.; Faulkner, B.; Buttar, I. An apparatus to study drop-formed vortex rings. Meas. Sci. Technol. 1995. V. 6(10). P. 1538–1545. DOI 10.1088/0957-0233/6/10/014
4. Taylor G. I. Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube // Proc. Roy. Soc. London A. 1953. V. 219. P. 186–203.
5. Taylor G. I. The dispersion of matter in turbulent flow through a pipe // Proc. Roy. Soc. London A. 1954. V. 223. P. 446–468.
6. Taylor G. I. Conditions under which dispersion of a solute in a stream of solvent can be used to measure molecular diffusion // Proc. Roy. Soc. London A. 1954. V. 225. P. 473–477
7. Надолин К. А. Упрощенные трехмерные математические модели гидродинамики и пассивного массопереноса в спокойных русловых потоках. Итоги науки и техники. Современная математика и ее приложения. Тематические обзоры. 2021. Т. 196. C. 66-89. DOI: 10.36535/0233-6723-2021-196-66-89.
8. Оkabe J., Inoue S. The Generation of Vortex Ring. Kyushu Univ., Rep. Res. Inst. Appl. Mech. 1960, 8(32), 91–101.
9. Okabe J., Inoue S. The generation of vortex rings, II. Rep. Res. Inst. Appl. Mech., Kyushu University, 1961, 9, 147–161.
10. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. М.: Мир, 1973. 760 с.
11. Feistel R. Thermodynamic properties of seawater, ice and humid air: TEOS-10, before and beyond. Ocean. Sci. 2018. V. 14. P. 471–502 https://doi.org/10.5194/os-14-471-2018
12. Менделеев Д.И. Об упругости газов. Тип. А. М. Котомина. СПб.: 1875. 262 с.
13. Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода. Справочное руководство. М.: Наука. 1979. 327 с.
14. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теорет. физ. Т. 6. Гидродинамика. М.: Наука. 1986. 736 с.
15. Chashechkin Y.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axioms. 2021. Vol. 10. iss. 4, p. 286. https://doi.org/10.3390/axioms10040286.
16. Chashechkin Yu.D. Singularly perturbed components of flows – linear precursors of shock waves // Math. Model. Nat. Phenom. 2018. Vol. 13. No. 2. P. 1-29. https://doi.org/10.1051/mmnp/2018020
17. Дубровин К., Зарвин А., Горбачев Ю. Е., Яскин А., Каляда В. В. Особенности процесса энерго-обмена в кластированном потоке аргона при инициации излучения электронным пучком // Физи-ко-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т.23, вып. 4. DOI: 10.33257/PhChGD.23.4.1007
18. Емельянов В. Н., Тетерина И. В., Волков К. Н. Сопротивление и теплообмен маталл-оксидных агломератов в потоке продуктов сгорания твердого топлива // Физико-химическая кинетика в га-зовой динамике. 2020. Т.21, вып. 1. DOI: 10.33257/PhChGD.21.1.893
19. Чашечкин Ю.Д. Пакеты капиллярных и акустических волн импакта капли // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2021. № 1(94). С. 73–92. DOI: 10.18698/1812-3368-2021-1-73-92
20. Чашечкин Ю.Д., Кистович А.В. Расчет структуры периодических течений в непрерывно страти-фицированной жидкости с учетом эффектов диффузии // Доклады АН. 2003. Т. 393. № 6. С. 776-780.
21. Чашечкин Ю. Д., Ильиных А.Ю. Распределение вещества капли в принимающей жидкости в ин-трузивном режиме слияния // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т.23, вып. 6. DOI:10.33257/PhChGD.23.6.1023
22. Чашечкин Ю. Д., Прохоров В. Е. Визуализация картины течения импакта свободно падающей капли при генерации звуковых пакетов // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. Т. 23, вып. 5. DOI:10.33257/PhChGD.23.5.1011.
23. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Задержка формирования каверны в интрузивном режиме слия-ния свободно падающей капли с принимающей жидкостью // Доклады РАН. 2021. T. 496. с. 34–39. DOI: 10.31857/S268674002101003X.
24. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Распад капли на отдельные волокна на границе области контакта с принимающей жидкостью // Доклады РАН. Физика, Технические науки. 2021. T. 497. с. 31–35. DOI: 10.31857/S2686740021020139.
25. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Полосчатые структуры в картине распределения вещества капли по поверхности принимающей жидкости // Доклады РАН. 2018. Т. 481. № 2. с. 145–150. DOI: 10.1134/S1028335818070066.
26. Li E. Q., Thoraval M.-J., Marston J. O., Thoroddsen S. T. Early azimuthal instability during drop im-pact // J. Fluid Mech. 2018. Vol. 848, p. 821–835. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.383
27. Чашечкин Ю.Д. Эволюция тонкоструктурного распределение вещества свободно падающей кап-ли в смешивающихся жидкостях // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 3. С. 67–77. https://doi.org/10.1134/S0001433819020026
28. Ersoy N. E., Eslamian M. Capillary surface wave formation and mixing of miscible liquids during drop-let impact onto a liquid film // Phys. of Fluids. 2019. Vol. 31. iss. 1, p. 012107. https://doi.org/10.1063/1.5064640
29. Кистович А.В., Чашечкин Ю.Д. Динамика гравитационно-капиллярных волн на поверхности неоднородно нагретой жидкости // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43. № 1. С. 109-116
30. Chashechkin Yu. D., Ochirov A.A. Periodic waves and ligaments on the surface of a viscous exponen-tially stratified fluid in a uniform gravity field // Axioms. 2022. V. 11(8). p.402. doi: 10.3390/axioms11080402
31. Chashechkin Y.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), 586 https://doi.org/10.3390/math9060586.
32. Eisenberg D., Kauzmann W. The structure and properties of water (Oxford Classic texts in the physical sciences). Oxford University Press: Oxford, UK. 2005. 308 p.
33. Malenkov G.G., Naberukhin Yu.I., Voloshin V. Collective effects in diffusional motion of water mole-cules: Computer simulation. Struct. Chem. 2011. V. 22(2). P. 459–463. DOI:10.1007/s11224-011-9766-3
34. 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.
35. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Множественные выбросы брызг при ударе капли // Доклады РАН. 2020, том 494, с. 42–46. DOI: 10.31857/S2686740020050181.
36. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Формирование системы наклонных петель в течениях импакта капли // Доклады. Физика, технические науки, 2021, том 499, с. 39–48. DOI: 10.31857/S2686740021040052.
37. Bunkin N.F., Suyazov N.V., Shkirin A.V., Ignat’ev P.S., Indukaev K.V. Study of Nanostructure of highly purified water by measuring scattering matrix elements of laser radiation. Phys. Wave Phenom. 2008. V. 16. P. 243–260 DOI:10.3103/S1541308X08040018.
38. Teschke O., de Souza E. Water molecule clusters measured at water/air interfaces using atomic force microscopy. Phys. Chem.–Chem. Phys. 2005. V. 7. P. 3856–3865. DOI:10.1039/b511257e
39. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Визуализация областей контакта сред в течениях импакта капли с химическими реакциями // Доклады российской академии наук. физика, технические науки. 2021. Т. 500. С. 39–47. DOI: 10.31857/S2686740021050023.
40. Чашечкин Ю.Д Перенос вещества окрашенной капли в слое жидкости с бегущими плоскими гравитационно-капиллярными волнами // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2022, том 58, № 2, с. 218–229. DOI: 10.31857/S0002351522020031
41. Степанова Е.В., Чаплина Т.О., Трофимова М.В., Чашечкин Ю.Д. Структурная устойчивость процесса переноса вещества из компактного пятна в составном вихре // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 5. С. 578-590.