При лобовом столкновении капли с твердой сферической частицей происходит образование конусообразного всплеска, форма и размер которого зависят только от скорости и относительного размера капли. Увидеть и количественно описать такой эффект гидродинамики из Великобритании смогли, сталкивая капли микронного размера со стеклянными шариками. Работа опубликована в Physics of Fluids.

Исследование процессов, происходящих при падении отдельных капель жидкости на твердые поверхности различной формы, интересно как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения возможных приложений, связанных с нанесением жидкости на криволинейные поверхности. Известно, что при падении капли на плоскую поверхность в зависимости от ее скорости и поверхностного натяжения возможно несколько сценариев: капля может растечься по поверхности, отскочить от нее, образовать брызги разной формы или распасться на несколько мелких капель. А если при этом жидкость может смешиваться с веществом поверхности, то капля при растекании принимает необычную форму шляпы-котелка.

Столкновению капель с искривленными поверхностями, даже в простейших конфигурациях, уделялось значительно меньше внимания. Известно, что при определенных скоростях при столкновении капли с поверхностью происходит образование «короны» — плоского конусообразного слоя жидкости, разлетающейся в стороны от твердого шарика. Но как ведет себя жидкость после столкновения и от чего зависит, например, форма сформировавшейся короны, до настоящего момента изучено не было.

G. Charalampous and Y. Hardalupas / Physics of Fluids, 2017

В своем новом исследовании исследователи из Великобритании рассмотрели лобовое столкновение капель воды с твердыми шарообразными частицами. Для этого с помощью ультразвукового капельного генератора формировались капли диаметром от 170 до 280 микрон, которые затем падали вертикально вниз на сферические стеклянные частицы диаметром от 500 до 2000 микрон. Момент столкновения записывался на высокоскоростную камеру, столкновение одной капли фиксировалось, как минимум, на двадцати кадрах.

Схема эксперимента для исследования столкновения капель с твердой сферической поверхностью. G. Charalampous and Y. Hardalupas / Physics of Fluids, 2017

Схема образования короны при падении капли на твердую сферическую частицу. G. Charalampous and Y. Hardalupas / Physics of Fluids, 2017

Оказалось, что если капля имеет нужный размер и падает с достаточной скоростью, то при столкновении ее с поверхностью действительно происходит формирование короны. По предположению ученых, оно протекает по следующему механизму. При столкновении с искривленной поверхностью у жидкости появляется компонента импульса, направленная перпендикулярно ей. Это приводит к стремлению жидкости оторваться от поверхности, которое увеличивается при увеличении кривизны поверхности. Поэтому, натыкаясь на мелкие неоднородности на поверхности частицы, жидкость формирует конусообразный всплеск, относительный размер которого тем больше, чем больше кривизна поверхности. 

Высота короны, точка отрыва короны от поверхности, и угол ее разлета, определяется скоростью капли и соотношением диаметров капли и твердой частицы. При этом, что интересно, разлет короны происходит не под прямым углом к твердой поверхности, а тоже определяется скоростью и размером капли.

Столкновение капель с твердыми частицами разного размера. G. Charalampous and Y. Hardalupas / Physics of Fluids, 2017

Интересно, что образовавшаяся корона не распадается на отдельные брызги и, сохраняя, свою целостность, медленно оседает, покрывая часть сухой поверхности. Если же скорость падения оказывается недостаточной, то капля просто растекается по поверхности шарика.

По утверждению ученых, полученные результаты помогут оптимизировать методы для аэрозольного нанесения покрытий и распылительной сушки.

В связи с появлением большого количества доступных высокоскоростных камер, ученые могут в деталях изучить процессы, происходящие при взаимодействии капель с твердыми поверхностями. Так, благодаря наблюдением за микроскопическими брызгами физикам удалось разработать способы уменьшения количества брызг при столкновении капли с плоской поверхностью. А другая группа ученых смогла подобрать такой состав жидкости, при котором крупная капля на поверхности самопроизвольно распадется на тысячи капель микронного размера.

Автор: Александр Дубов