Движение упругой капли через отверстие в тонкой пластине

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследуются удары капель воды и полимерных растворов по тонкой пластине с одиночным круглым отверстием. Диаметры капель перед ударом di совпадают с диаметрами отверстий dt. Их значения равны 3 мм. Капли падали с высоты 5, 10 и 20 мм и достигали скорости перед ударом 0.31, 0.44 и 0.63 м/с. Капли пролетали через отверстие, слегка касаясь его краев. Методами высокоскоростной фотографии зафиксированы различные стадии столкновения капли с препятствием. Обнаружено, что при изученных параметрах удара наблюдается значительное замедление струи отверстием, вплоть до полной остановки полета капли. Обсуждаются механизмы наблюдаемых явлений и влияние различных факторов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. О. Руденко

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: arudenko@ipmnet.ru
Россия, Москва

А. Н. Рожков

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: rozhkov@ipmnet.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Dbouk T., Drikakis D. On coughing and airborne droplet transmission to humans // Phys. Fluids. 2020. V. 32. P. 053310.
  2. Bourouiba L. Fluid Dynamics of Respiratory Infectious Diseases // Annu. Rev. Biomedical Engineering. 2021. V. 23. P. 547–577.
  3. Nielsen N.J. History of ThinkJet printhead development // Hewlett-Packard Journal. 1985. May. P. 4–10.
  4. Базилевский А.В., Мейер Д.Д., Рожков А.Н. Динамика и разрушение импульсных микроструй полимерных жидкостей. // Изв. РАН. МЖГ. 2005. № 3. С. 45–63.
  5. Lorenceau E., Quere D. Drops impacting a sieve // Journal of Colloid and Interface Science. 2003. V. 263. P. 244–249.
  6. Федюшкин А.И., Рожков А.Н., Руденко А.О., Гневушев А.А., Пунтус А.А. Режимы течения капли через отверстие // Материалы XIV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2022). Материалы конференции. Москва, 2022. С. 101–103.
  7. Базилевский А.В., Ентов В.М., Рожков А.Н. Распад жидкого мостика — метод реологического тестирования биологических жидкостей // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2011. № 4. С. 119–129
  8. Рожков А.Н. Упругость и релаксационные свойства ротовой жидкости // Российский журнал биомеханики. 2021. Т. 25. № 4. С. 393–405.
  9. Руденко А.О., Рожков А.Н. Движение упругой капли через отверстие в пластине // Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023). Материалы конференции. Москва, 2023. С. 417–419.
  10. Lorenceau E., Clanet C., Quere D. Capturing drops with a thin fiber // Journal of Colloid and Interface Science. 2004. V. 279. P. 192–197.
  11. Kim S., Kim W. Drop impact on a fiber // Phys. Fluids. 2016. V. 28. P. 042001.
  12. Fedyushkin A.I., Rozhkov A.N., Rudenko A.O. Collision of water drops with a thin cylinder // Journal of Physics: Conference Series. 2021. V. 2057. P. 012034.
  13. Базилевский А.В., Рожков А.Н. Эффекты коалесценции при столкновении капель воды с тонким цилиндром // Девятая международная научная конференция — Школа молодых ученых. Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах. Москва, ИПМех РАН , 18–20 октября 2023. C. 118–121.
  14. Федюшкин А.И., Гневушев А.А., Захаров А.С., Рожков А.Н. Влияние силы тяжести при обтекании жидкой каплей тонкой нити // Девятая международная научная конференция — Школа молодых ученых. Физическое и математическое моделиро-вание процессов в геосредах. Москва, ИПМех РАН, 18–20 октября 2023. C. 109–112.
  15. Базилевский А.В., Рожков А.Н. Удар микроструи воды по микроволокну // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2023. № 5. С. 110–118.
  16. Руденко А.О., Рожков А.Н. Удар упругой капли по тонкому цилиндру // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2024. Т. 66. № 3. С. 236–247.
  17. Rozhkov, A., Prunet-Foch, B., Vignes-Adler, M. Star-like breakup of polymeric drops in electrical field // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2015. V. 226. P. 46–59.
  18. Базилевский А.В., Рожков А.Н. Всплеск упругой жидкости — реологический тест полимерных растворов // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2018. Т. 60. № 3. С. 235–248.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема эксперимента.

Скачать (167KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Видеозаписи движения капель воды, ПАА-100 и ПАА-1k (а-в) через отверстие в пластине при падении капли с высоты 5 мм. Цена деления линейки на кадре 1 мм. B = πdiGθ2/(4m0) — количественный параметр, описывающий предполагаемый переход к разрушению капли [4].

Скачать (432KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Видеозаписи движения капель воды, ПАА-100 и ПАА-1k (а-в) через отверстие при падении с высоты h0 = 10 мм. Цена делений линейки на кадре 1 мм.

Скачать (504KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Видеозаписи движения капель воды, ПАА-100 и ПАА-1k (а–в) через отверстие при падении с высоты h0 = 20 мм. Цена делений линейки на кадре 1 мм.

Скачать (450KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость перемещения струи z от времени для различных жидкостей при падении капель с высот h0 = 5, 10 и 20 мм. 1 — вода h0 = 5 мм, 2 — вода h0 = 10 мм, 3 — вода h0 = 20 мм, 4 — ПАА100 h0 = 5 мм, 5 — ПАА100 h0 = 10 мм, 6 — ПАА100 h0 = 20 мм, 7 — ПАА1k h0 = 5 мм, 8 — ПАА1k h0 = 10 мм, 9 — ПАА1k h0 = 20 мм; Пунктиром показаны теоретические «беспрепятственные» траектории капель z = (2gh0)1/2t + gt2/2 для высот h0 = 5, 10 и 20 мм. Горизонтальная пунктирная линия разделяет область отрыва капель от пластины z > 3 мм и область захвата капель отверстием в пластине z < 3 мм.

Скачать (236KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Режимы течения как функции определяющих параметров. Цифрами обозначены варианты: 1 — G = 0, γ = 0, g = 9.81 м/с2, 2 — G = 0, γ = 0.072 Н/м, g = 0, 3 — G = 100 Па, θ = 0.1 с, γ = 0.072 Н/м, g = 9.81 м/с2, 4 — G = 100 Па, θ = 0.1 с, γ = 0, g = 0. Вычисления проведены c использованием пакета прикладных программ MatLab для случая vi = 0.49 м/c, a0 = 3 мм.

Скачать (75KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Численные решения уравнения (3.2) (сплошные кривые) в сравнении с экспериментальными данными для падения капель различных жидкостей с высоты h0 = 5 мм, vi = 0.2011 м/c (рис. 2). 1 — вода, G = 0, 2 — ПАА100, G = 51 Па, θ = 0.061с, 3 — ПАА1к, G = 146 Па, θ = 0.031с. Нолики отвечают захвату капель отверстием. Реологические параметры G и q оценены путем подбора наилучшего приближения методом наименьших квадратов.

Скачать (114KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Численные решения уравнения (3.2) в сравнении с экспериментальными данными для падения капель различных жидкостей с высоты h0 = 10 мм, vi = 0.2736 м/c (рис. 3). 1 — вода, G = 0, 2 — ПАА100, G = 71 Па, θ = 0.021 с, 3 — ПАА1к, G = 151 Па, θ = 0.021 с. Крестики отвечают отрыву капель от отверстия, нолики — захвату капель отверстием. Реологические параметры G и q оценены путем подбора наилучшего приближения методом наименьших квадратов.

Скачать (105KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Численные решения уравнения (3.2) в сравнении с экспериментальными данными для падения капель с высоты h0 = 20 мм, vi = 0.4931 м/c (рис. 4). 1 — вода, G = 0, 2 — ПАА100, G = 91 Па, θ = 0.011 с, 3 — ПАА1к, G = 151 Па, θ = 0.021 с. Крестики отвечают отрыву капель от отверстия.

Скачать (111KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024