Удар падения - Википедия - Drop impact

Капля, ударяющаяся о поверхность жидкости; в этом случае и капля, и поверхность - вода.

Падение удара происходит, когда жидкость уронить ударяет по твердой или жидкой поверхности. Результат зависит от свойств капли, поверхности и окружающей среды. жидкость, который чаще всего газ.

На сухой твердой поверхности

Когда жидкая капля ударяется о сухую твердую поверхность, она обычно растекается по поверхности, а затем втягивается, если удар достаточно сильный, чтобы заставить каплю растекаться больше, чем она обычно растекается из-за своего статического угла смачивания. Конкретный результат удара зависит в основном от размера капли, скорости, поверхностное натяжение, вязкость, а также на шероховатость поверхности и угол контакта между каплей и поверхностью.[1] Параметры удара капли, такие как время контакта и режим удара, могут быть изменены и контролироваться различными пассивными и активными методами.[2]

Краткое изложение возможных результатов

  • Говорят, что «осаждение» происходит, когда капля растекается по поверхности при ударе и остается прикрепленной к поверхности в течение всего процесса удара, не разбиваясь.[1] Этот результат типичен для удара небольших низкоскоростных капель на гладкую поверхность. смачивание поверхности.
  • Результат «мгновенного всплеска» возникает, когда капля ударяется о шероховатую поверхность, и характеризуется образованием капель на линии контакта (где встречаются твердое тело, газ и жидкость) в начале процесса растекания капли по поверхности. поверхность, когда жидкость имеет высокую скорость наружу.[1]
  • При пониженном поверхностном натяжении слой жидкости может оторваться от стенки, что приведет к «всплеску короны».[3]
Всплеск короны на сухой твердой поверхности.
  • На смачиваемой поверхности может происходить «отступающее дробление», когда жидкость отводится от своего максимального радиуса распространения из-за того, что угол смачивания уменьшается во время отвода, в результате чего отступающая капля оставляет позади себя некоторые капли.[1] На супергидрофобный Поверхности втягивающаяся капля может разбиться на несколько пальцев, каждый из которых способен к дальнейшему разрыву, вероятно, из-за капиллярной нестабильности.[3] Было замечено, что такие сателлитные капли отрываются от падающей капли как во время фазы растекания, так и втягивания.[4]
  • Результаты «отскока» и «частичного отскока» могут возникать, когда падение отступает после удара. По мере того, как капля отступает к точке удара, кинетическая энергия схлопывающейся капли заставляет жидкость сжиматься вверх, образуя вертикальный столб жидкости. Случай, когда капля частично остается на поверхности, но запускает одну или несколько капель на своей вершине, известен как частичный отскок, тогда как случай, когда вся капля отрывается от твердой поверхности из-за этого восходящего движения, известен как полный отскок.[3] Разница между отскоком и частичным отскоком вызвана углом смачивания капли на поверхности. При низких значениях происходит частичный отскок, а при высоких значениях происходит полный отскок (при условии, что капля отступает с достаточной кинетической энергией).[1]

На супергидрофобных поверхностях

Небольшая деформация капли

На супергидрофобных поверхностях жидкие капли отскакивают от твердой поверхности. Ричард и Кере показали, что небольшая капля жидкости способна отскакивать от твердой поверхности более 20 раз, прежде чем остановиться.[5] Особый интерес представляет время, в течение которого капля остается в контакте с твердой поверхностью. Это важно в таких приложениях, как передача тепла и обледенение самолетов. Найти взаимосвязь между размером капли и временем контакта для низких Число Вебера ударов (We << 1) по супергидрофобным поверхностям (которые мало деформируются), простой баланс между инерцией () и капиллярность () может быть использован,[6] следующее:

куда - плотность капли, R - радиус капли, - характерный временной масштаб, а - поверхностное натяжение капли.

Это дает

.

Время контакта в этом режиме не зависит от скорости. Минимальное время контакта для капли с низкой деформацией (We << 1) аппроксимируется периодом колебаний низшего порядка для сферической капли.,[7] давая характеристическое время предварительному коэффициенту приблизительно 2,2.[8] Для капель с большой деформацией (We> 1) наблюдаются аналогичные времена контакта, хотя динамика удара иная, как обсуждается ниже.[8] Если капля разделена на несколько капель, время контакта сокращается.[8]

Распад капли воды, ударяющейся о супергидрофобную поверхность с числом Вебера приблизительно 214.

Создавая конические поверхности с большим расстоянием, падающая капля будет демонстрировать нелогичное отражение, характеризующееся отражением капли в конце распространения без втягивания, что приводит к сокращению времени контакта примерно на 80%.[9]

Значительная деформация капли

С увеличением числа Вебера увеличивается и деформация капли при ударе. Картину деформации капли можно разбить на режимы по числу Вебера.[6]

  • При We << 1 существенной деформации нет.
  • При We порядка 1 капля испытывает значительную деформацию и несколько уплощается на поверхности.
  • При We ~ 4 на капле образуются волны.
  • Когда We ~ 18, капля (и) спутника отрывается от капли, которая теперь представляет собой вытянутый вертикальный столбик.
  • При больших We (величина которых зависит от конкретной структуры поверхности) многие капли-спутники отламываются при растекании и / или втягивании капли.[4]

На мокрой твердой поверхности

Когда капля жидкости ударяется о влажную твердую поверхность (поверхность, покрытая тонким слоем жидкости, превышающим высоту шероховатости поверхности), произойдет растекание или разбрызгивание.[3] Если скорость ниже критического значения, жидкость будет растекаться по поверхности, как это описано выше. Если скорость превышает критическую, произойдет разбрызгивание и может возникнуть ударная волна.[10][11] Брызги на тонкие жидкие пленки происходят в форме короны, подобной той, что наблюдается на сухих твердых поверхностях. При надлежащих условиях капля, ударяющаяся о поверхность раздела жидкости, может также демонстрировать отскок, подобный супергидрофобному, который характеризуется временем контакта, динамикой растекания и коэффициентом восстановления, не зависящими от свойств лежащей в основе жидкости.[12]

На жидкой поверхности

Когда капля жидкости ударяется о поверхность резервуара с жидкостью, она будет плавать, отскакивать, сливаться с резервуаром или разбрызгиваться.[13] В случае плавания капля будет плавать на поверхности в течение нескольких секунд. Сообщается, что чистота поверхности жидкости очень важна для способности капель плавать.[14] Отскок капли может происходить на возмущенных поверхностях жидкости.[13] Если капля способна разорвать тонкую пленку газа, отделяющую ее от резервуара с жидкостью, она может слиться. Наконец, выше Число Вебера удары падения (с большей энергией) вызывают разбрызгивание. В режиме разбрызгивания падающая капля создает кратер на поверхности жидкости, за которым следует корона вокруг кратера. Кроме того, центральный жиклер, называемый Струя Рэлея или же Worthington Jet, выступает из центра кратера.[13] Если энергия удара достаточно высока, струя поднимается до точки, где она зажимается, отправляя одну или несколько капель вверх за пределы поверхности.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Риобу, Ромен, Камерон Тропеа и Марко Маренго. «Последствия падения падения на твердые поверхности». Распыление и распыление 11.2 (2001)
  2. ^ Biroun, Mehdi H .; Ли, Цзе; Тао, Ран; Рахмати, Мохаммад; Макхейл, Глен; Донг, Линьси; Джанги, Мехди; Торунь, Хамди; Фу, Юнцин (12.08.2020). «Акустические волны для активного сокращения времени контакта при ударе капли». Применена физическая проверка. 14 (2): 024029. Дои:10.1103 / PhysRevApplied.14.024029.
  3. ^ а б c d Ярин А.Л. «Динамика удара капли: разбрызгивание, разлет, отступление, отскок…». Анну. Rev. Fluid Mech. 38 (2006): 159–192.
  4. ^ а б Цай, Пейчун и др. «Удар капли на микро- и наноструктурированные супергидрофобные поверхности». Ленгмюр, 25.20 (2009): 12293-12298
  5. ^ Ричард Д. и Д. Кере. «Прыгающие капли воды». EPL 50.6 (2000): 769
  6. ^ а б Ричард, Дени, Кристоф Клане и Дэвид Кере. «Поверхностные явления: время контакта прыгающей капли». Nature 417.6891 (2002): 811-811
  7. ^ Рэйли, лорд. «О капиллярных явлениях струй». Труды Лондонского королевского общества 29.196-199 (1879): 71-97
  8. ^ а б c Берд, Джеймс С. и др. «Сокращение времени контакта отскакивающей капли». Nature 503.7476 (2013): 385-388.
  9. ^ Яхуа Лю, Лиза Моэвиус, Синьпэн Сюй, Тиечжэн Цянь, Юлия М Еоманс, Цзуанкай Ван. «Блин, подпрыгивающий на супергидрофобных поверхностях». Nature Physics, 10, 515-519 (2014).
  10. ^ Fujisawa, K .; Yamagata, T .; Фудзисава, Н. (2018). «Демпфирующий эффект ударного давления от попадания капли жидкости на влажную стену». Анналы атомной энергетики. 121: 260–268. Дои:10.1016 / j.anucene.2018.07.008.
  11. ^ Haller, K. K .; Ventikos, Y .; Poulikakos, D .; Монкевиц, П. (сентябрь 2002 г.). «Расчетное исследование удара высокоскоростной капли жидкости». Журнал прикладной физики. 92 (5): 2821–2828. Bibcode:2002JAP .... 92.2821H. Дои:10.1063/1.1495533. ISSN  0021-8979.
  12. ^ Чунлей Хао, Цзин Ли, Юань Лю, Сяофэн Чжоу, Яхуа Лю, Жун Лю, Луфэн Че, Вэньчжун Чжоу, Дун Сунь, Лоуренс Ли, Лэй Сю, Цзуанкай Ван. «Настраиваемая капля, похожая на супергидрофобную, отскакивает от поверхности раздела скользких жидкостей». Nature Communications, Дои: 10.1038 / ncomms8986
  13. ^ а б c Рейн, Мартин. «Явления удара жидкой капли о твердые и жидкие поверхности». Исследование динамики жидкости 12.2 (1993): 61-93
  14. ^ Рейнольдс, Осборн. «От плавания капель по поверхности воды зависит только чистота поверхности». Proc. Manchester Lit. Фил. Soc 21.1 (1881)