Начальный этап слияния составной капли в импактном режиме

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Эволюция регулярной тонкой структуры картины распределения окрашенного вещества при растекании свободно падающей многожидкостной капли в глубокой воде впервые прослежена методами технической фото- и видеорегистрации. Изучалась картина течения на начальном этапе формирования каверны и венца при слиянии составной капли, ядро которой – капля раствора ализариновых чернил, было покрыто масляной оболочкой. В картине распределения окрашенной жидкости на дне каверны и стенках венца наблюдались полосчатые структуры, формирование которых связывается с влиянием процессов конверсии доступной потенциальной поверхностной энергии (ДППЭ) при уничтожении контактных поверхностей сливающихся жидкостей. В проведенных опытах изменялась высота падения капли. Положение ядра в составной капле не контролировалось и определялось условиями отрыва. Распад чернильного ядра на волокна наблюдался во всех опытах. Площадь покрытия поверхности каверны и венца окрашенной жидкостью достигала максимума при центральном положении ядра.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. Д. Чашечкин

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

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

А. Ю. Ильиных

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

Email: ilynykh@ipmnet.ru
Россия, Москва

Ш. Х. Хайирбеков

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

Email: msturistt09@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Thomson J.J., Newall H.F. On the formation of vortex rings by drops falling into liquids, and some allied phenomena // Proc. R. Soc. London. 1885. V. 29. P. 417–436.
  2. Worthington A. The splash of the drop. Series "The romance of science". E. & J.B. Young & Co: New York, USA. 1895. 92 p.
  3. Blanken N., Saleem M.S., Thoraval M.-J., Antonini C. Impact of compound drops: a perspective // Curr. Opin. Colloid Interface. 2020. V. 51. P. 101389. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2020.09.002
  4. Agbaglah G., Thoraval M.-J., Thoroddsen S., Zhang L., Fezzaa K., Deegan R. Drop impact into a deep pool: vortex shedding and jet formation // J. Fluid Mech. 2015. V. 764. P. R1–12. https://doi.org/10.1017/jfm.2014.723
  5. Thoroddsen S.T., Etoh T.G., Takehara K. High-Speed Imaging of Drops and Bubbles // Ann. Rev. Fluid Mech. 2008. V. 40. № 1. P. 257–285. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.40.111406.102215
  6. Lohse D. Fundamental fluid dynamics challenges in inkjet printing // Ann. Rev. Fluid Mech. 2022. V. 54. P. 349–382. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-022321-114001
  7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука. 1986. 736 с.
  8. Müller P. The equations of oceanic motions. CUP: Cambridge, UK. 2006. 302 p.
  9. Chashechkin Y.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axioms. 2021. V. 10. № 4. P. 286. https://doi.org/10.3390/axioms10040286.
  10. Gibbs J.W. Elementary principles in statistical mechanics. Scribner’s and sons: New York, USA. 1902. 207 p.
  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. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. М.: ГИФМЛ. 1958. 206 с.
  13. Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. A continuum method for modelling surface tension // J. Comput. Phys. 1992. V. 100. № 2. P. 335–354. https://doi.org/10.1016/0021-9991(92)90240-y
  14. Bisighini A., Cossali G. E., Tropea C., Roisman I.V. Crater evolution after the impact of a drop onto a semi-infinite liquid target // Phys. Rev. 2010. E 82(3, Pt.2). P. 036319. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.82.036319
  15. Popinet S. Numerical models of surface tension // Ann. Rev. Fluid Mech. 2018. V. 50. P. 49–75. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-122316-045034
  16. Castrejón-Pita A.A., Castrejón-Pita J.R., Hutchings I.M. Experimental observation of von Kármán vortices during drop impact // Phys. Rev. 2012. V. 86. № 4. P. 045301. https://doi.org/10.1103/physreve.86.045301
  17. Das S.K., Dalal A., Breuer M., Biswas G. Evolution of jets during drop impact on a deep liquid pool // Phys. Fluids. 2022. V. 34. P. 022110. https://doi.org/10.1063/5.0081064
  18. Rein M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces // Fluid Dyn. Res. 1993. V. 12. № 2. P. 61–93. https://doi.org/10.1016/0169-5983(93)90106-k
  19. Wang L., Thoraval M.-J. Air-in-liquid compound drop impact onto a pool // Phys. Fluids. 2022. V. 34. P. 102101. https://doi.org/10.1063/5.0086745
  20. Sapei L., Naqvi M.A., Rousseau D. Stability and release properties of double emulsions for food applications // Food Hydrocolloids. 2012. V. 27. № 2. P. 316–323. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2011.10.008
  21. Johnson R.E., Sadhal S.S. Fluid mechanics of compound multiphase drops and bubbles // Ann. Rev. Fluid Mech. 1985. V. 17. № 1. P. 289–320. https://doi.org/10.1146/annurev.fl.17.010185.001445
  22. Kolesky D.B., Truby R.L., Gladman A.S., Busbee T.A., Homan K.A., Lewis J.A. 3D bioprinting of vascularized, heterogeneous cell-laden tissue constructs // Adv. Mater. 2014. V. 26. P. 3124–3130. https://doi.org/10.1002/adma.201305506
  23. Kan H.C., Udaykumar H.S, Shyy W., Tran-Son-Tay R. Hydrodynamics of a compound drop with application to leukocyte modeling // Phys. Fluids. 1998. V. 10. № 4. P. 760–774. https://doi.org/10.1063/1.869601
  24. Kim D., Lee J., Bose A., Kim I., Lee J. The impact of an oil droplet on an oil layer on water // J. Fluid Mech. 2020. V. 906. A5. https://doi.org/10.1017/jfm.2020.791
  25. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 280 с.
  26. Чашечкин Ю.Д. Пакеты капиллярных и акустических волн импакта капли // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2021. Т. 1. № 94. С. 73–92. https://doi.org/10.18698/1812-3368-2021-1-73-92
  27. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Задержка формирования каверны в интрузивном режиме слияния свободно падающей капли с принимающей жидкостью // Доклады РАН. 2021. Т. 496. С. 34–39. https://doi.org/10.31857/S268674002101003X
  28. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Распределение вещества капли в принимающей жидкости в интрузивном режиме слияния // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2022. T. 23. № 6. http://chemphys.edu.ru/issues/2022-23-6/articles/1023
  29. 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
  30. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Тонкая структура картины распределения вещества свободно падающей капли на поверхности и в толще принимающей жидкости в импактном режиме слияния // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Т. 24. № 2. http://doi.org/10.33257/PhChGD.24.2.1043
  31. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Распад капли на отдельные волокна на границе области контакта с принимающей жидкостью // Доклады РАН. 2021. T. 497. C. 31–35. https://doi.org/10.31857/S2686740021020139
  32. Ersoy N.E., Eslamian M. Capillary surface wave formation and mixing of miscible liquids during droplet impact onto a liquid film // Phys. Fluids. 2019. V. 31. P. 012107. https://doi.org/10.1063/1.5064640
  33. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Перенос вещества капли в толщу принимающей жидкости в начальной стадии процесса слияния // Изв. РАН. МЖГ. 2023. № 1. C. 54–68. https://doi.org/10.31857/S056852812260031X
  34. Kuhlman J.M., Hillen N.L. Droplet impact cavity film thickness measurements versus time after drop impact and cavity radius for thin static residual liquid layer thicknesses // Exp. Therm. Fluid Sci. 2016. V. 77. P. 246–256. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2016.04.020
  35. Чашечкин Ю.Д. Визуализация тонкой структуры возмущений поверхности жидкости течениями, вызванными упавшей каплей // ПMM. 2019. Т. 83. № 3. С. 403–412. https://doi.org/10.1134/S0032823519030032
  36. Чашечкин Ю.Д. Эволюция тонкоструктурного распределение вещества свободно падающей капли в смешивающихся жидкостях // Известия РАН. ФАО. 2019. Т. 55. № 3. С. 67–77. https://doi.org/1010.1134/S0001433819020026
  37. Fujimatsu T., Fujita H., Hirota M., Okada O. Interfacial deformation between an impacting water drop and a silicone-oil surface // Colloid and Interface Sci. 2003. V. 264. № 1. P. 212–220. https://doi.org/10.1016/s0021-9797(03)00402-8
  38. Ильиных А.Ю., Чашечкин Ю.Д. Гидродинамика погружающейся капли: несмешивающиеся жидкости // Изв. РАН. МЖГ. 2020. Т. 55. № 2. C. 19–27. https://doi.org/10.31857/S056852812002005X
  39. Minami F., Hasegawa K. Cavity and jet formation after immiscible droplet impact into deep water pool // Phys. Fluids. 2022. V. 34. P. 033315. https://doi.org/10.1063/5.0084456
  40. Zhang Q. Xu M., Liu X., Zhao W., Zong C., Yu Y., Wang Q., Gai H. Fabrication of Janus droplets by evaporation driven liquid-liquid phase separation // Chem. Communic. 2016. V. 52. № 28. P. 5015–5018. https://doi.org/10.1039/C6CC00249H
  41. Чашечкин Ю.Д., Якуш С.Е., Ильиных А.Ю. Группы брызг импакта капли воды, свободно падающей в расплавленный металл // Доклады РАН. 2021. Т. 498. С. 22–26. https://doi.org/10.31857/S268674002103007X
  42. Hsieh W.-D., Lin S.-Y., Chen R.-H., Lin T.-H. Burning behavior of gas-in-oil compound drops // Combust. Sci. Technol. 2010. V. 183. P. 51. https://doi.org/10.1080/00102202.2010.497517
  43. Ширяев А.А. О собственных частотах осцилляций поверхности свободнопадающей составной капли идеальной жидкости. // Известия РАН. МЖГ. 2020. Т. 3. С. 3–11. https://doi.org/10.31857/S0568528120020127
  44. Boruah M.P., Randive P.R., Pati S., Suman Chakraborty S. Morphodynamic evolution due to inertia-mediated impact of a compound drop on a deep liquid pool // Phys. Fluids. 2022. V. 34. P. 032106. https://doi.org/10.1063/5.0085814
  45. Sarker A., Boruah P.M., Randive P.R., Pati S. The role of compound droplet size on transition from jetting to bubble entrapment during its impact on liquid // Phys. Fluids. 2021. V. 33. P. 102103. https://doi.org/10.1063/5.0064564
  46. Tryggvason G., Scardovelli R., Zaleski S. Direct numerical simulations of gas-liquid multiphase flows. CUP: Cambridge, UK. 2011. https://doi.org/10.1017/CBO9780511975264
  47. Zhang H., Wang F., Nestler B. Janus droplet formation via thermally induced phase separation: a numerical model with diffusion and convection // Langmuir. 2022. V. 38. P. 6882–6895. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c00308
  48. Mengqi L., Dongqing L. Janus droplets and droplets with multiple heterogeneous surface strips generated with nanoparticles under applied electric field // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. P. 8461–8472. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b01920
  49. Malenkov G., Naberukhin Y., Voloshin V. Collective effects in diffusional motion of water molecules: computer simulation // Struct. Chem. 2011. V. 22. P. 459–463. https://doi.org/10.1007/s11224-011-9766-3
  50. Karakashev S.I., Grozev N.A. The law of parsimony and the negative charge of the bubbles // Coatings. 2020. V. 10. P. 1003. https://doi.org/10.3390/coatings10101003
  51. 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. http://chemphys.edu.ru/issues/2023-24-4/articles/1057
  52. 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. http://www.ipmnet.ru/uniqequip/gfk/#equip
  53. Fisher L.R., Mitchell E.E., Parker N.S. Interfacial tensions of commercial vegetable oils with water // Food Sci. 1985. V. 50. № 4. P. 1201–1202. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1985.tb13052.x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Структура капельной жидкости (слева – оболочечная, справа – дуальная капля): I – III – толща, приповерхностный и поверхностный слои.

Скачать (96KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема дозатора составных капель: 1, 2 – капилляры подачи жидкостей ядра и оболочки; 3 – растущая составная капля; 4 – кювета с принимающей жидкостью.

Скачать (45KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Фотографии составных капель: а, б – с сильно и слабо смещенным ядром; 1 – масляная оболочка; 2 – ядро.

Скачать (129KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Эволюция распределения вещества составной чернильно-масляной капли на начальном этапе импакта. Длина маркера – 2 мм (H = 44 см, U = 290 см/с, Dn = 2.8 мм, Ds = 5 мм, Mn = 11.49 × 10-6 кг, Ms = 49.1 × 10-6 кг, M = Mn + Ms = 60.59 × 10-6 кг, Re = 242, Fr = 172, We = 1168, Bo = 6.8, Oh = 0.14, Enk,d = 254.79 мкДж, мкДж, мкДж, RE = 80.38, REs = 0.22).

Скачать (185KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Эволюция распределения вещества составной чернильно-масляной капли на этапе образования лигаментов. Длина маркера – 4 мм (H = 44 см, U = 290 см/с, Dn = 2.8 мм, Ds = 5 мм, Mn = 11.49 × 10-6 кг, Ms = 49.1 × 10-6 кг, M = Mn + Ms = 60.59 × 10-6 кг, Re = 242, Fr = 172, We = 1168, Bo = 6.8, Oh = 0.14, Enk,d = 254.79 мкДж, мкДж, мкДж, RE = 80.38, REs = 0.22).

Скачать (1MB)
Метаданные
7. Рис. 6. Увеличенный вид решетки (а) с чернильными валиками (б) и диффузными петельками (в).

Скачать (370KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Структура полосчатого течения по данным рис. 5: (а), (б) – распределение относительной освещенности I, нормированной на максимальной значение, вдоль продольной центральной линии и его пространственный спектр S.

Скачать (125KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Эволюция картины распределения вещества составной чернильно-масляной капли в боковой проекции. Длины маркеров – 5 мм (H = 50 см, U = 300 см/с, Dn = 2.7 мм, Ds = 3.3 мм, Mn = 10.31 × 10-6 кг, Ms = 7.74 × 10-6 кг, M = Mn + Ms = 18.05× 10-6 кг, Re = 165, Fr = 278, We = 825, Bo = 2.97, Oh = 0.174, Enk,d = 81.23 мкДж, мкДж, мкДж, RE = 48.64, REs = 0.48).

Скачать (311KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Распределение пигмента ядра капли в начальной стадии формирования каверны. Длина синего маркера – 2 мм; длина красного маркера – 4 мм (H = 44 см, U = 240 см/с, Dn = 3.9 мм, Ds = 5 мм, Mn = 31.06 × 10-6 кг, Ms = 31.30 × 10-6 кг, M = Mn + Ms = 62.36× 10-6кг, Re = 200, Fr = 117, We = 800, Bo = 6.8, Oh = 0.14, Enk,d = 254.79 мкДж, мкДж, мкДж, RE = 48.41, REs = 0.43).

Скачать (387KB)
Метаданные
11. Рис 10. Структура полосчатого течения по данным рис. 9е: фигуры a, б – распределение относительной освещенности I, нормированной на максимальной значение, вдоль центральной нормали к полосам в правом нижнем квадранте и его пространственный спектр S.

Скачать (120KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Эволюция картины распределения вещества составной чернильно-масляной капли в боковой проекции. Длины маркеров – 5 мм (H = 50 см, U = 300 см/с, Dn = 2.7 мм, Ds = 3.3 мм, Mn = 10.31 × 10-6 кг, Ms = 7.74 × 10-6 кг, M = Mn + Ms = 18.05 × 10-6 кг, Re = 165, Fr = 278, We = 825, Bo = 2.97, Oh = 0.174, Enk,d = 81.23 мкДж, мкДж, мкДж, RE = 48.64, REs = 0.48).

Скачать (261KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Схема слияния составной капли.

Скачать (174KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».