Удар упругой капли по тонкому цилиндру

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Изучено столкновение капель упругих жидкостей и воды с тонким цилиндром (нитью). Упругими (неньютоновскими) жидкостями служили водные растворы полимеров, моделировавшие реологическое поведение ротовой жидкости – основного переносчика инфекций воздушно-капельным путем. Вода в качестве ньютоновской жидкости была исследована с целью выделения эффектов упругости при сравнении столкновения ньютоновских и неньютоновских жидкостей – воды и полимерных растворов. Траектория полета капель и ось цилиндра взаимно перпендикулярны. В экспериментах диаметр капли составлял 3 мм, а горизонтальных цилиндров из нержавеющей стали 0.4 и 0.8 мм. Формирование капель происходило путем медленного истечения жидкости из вертикального капилляра из нержавеющей стали с внешним диаметром 0.8 мм, от которого капли периодически отрывались под действием силы тяжести. Скорость капли перед столкновением определялась расстоянием между срезом капилляра и мишенью‒цилиндром (в экспериментах это расстояние составляло 5, 10 и 20 мм). Скорость падения капель перед ударом оценивалась в диапазоне 0.2-0.5 м/с. Процесс столкновения зарегистрирован методом скоростной видеозаписи с частотой кадров 240 и 960 Гц. В испытаниях задействованы вода и водные растворы полиакриламида с молекулярной массой 11 млн и концентрацией 100 и 1000 млн‒1. Показано, что в зависимости от высоты падения капли и концентрации полимера возможны различные сценарии столкновения: кратковременный отскок капли от препятствия, торможение и остановка капли на препятствии, обтекание каплей цилиндрического препятствия с сохранением сплошности и продолжением свободного полета, а также распад капли на две вторичные капли, каждая из которых со своей историей последующего полета.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. О. Руденко

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук

Email: rozhkov@ipmnet.ru
Россия, 119526, Москва, пр. Вернадского, 101

А. Н. Рожков

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: rozhkov@ipmnet.ru
Россия, 119526, Москва, пр. Вернадского, 101

Список литературы

  1. Dbouk T., Drikakis D. // Phys. Fluids. 2020. V. 32. P. 053310.
  2. Bourouiba L., Dehandschoewercker E., Bush J.W.M. // J. Fluid Mech. 2014. V. 745. P. 537.
  3. Bourouiba L. // Ann. Rev. Biomed. Eng. 2021. V. 23. P. 547.
  4. Lorenceau É., Quéré D. // J. Coll. Int. Sci. 2003. V. 263. P. 244.
  5. Villermaux E., Bossa B. // J. Fluid Mech. 2011. V. 668. P. 412.
  6. Rozhkov A., Prunet-Foch B., Fedyushkin A., Vignes-Adler M. // Atomiz. Sprays. 2023. V. 33. № 10. P. 1.
  7. Lorenceau E., Clanet C., Quere D. // J. Coll. Int. Sci. 2004. V. 279. P. 192.
  8. Dressaire E., Sauret A., Boulogne F., Stone H.A. // Soft Matter. 2016. V. 12. № 1. P. 200.
  9. Kim S., Kim W. // Phys. Fluids. 2016. V. 28. P. 042001.
  10. Bazilevsky A.V. Rozhkov A.N. // Fluid Dynamics. 2023. V. 58. № 5. P. 934.
  11. Fedyushkin A.I., Rozhkov A.N., Rudenko A.O. // J. Phys.: Conference Series. 2021. V. 2057. P. 012034.
  12. Федюшкин А.И., Гневушев А.А., Захаров А.С., Рожков А.Н. // Матер. XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС′2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. C. 440.
  13. Bazilevsky A.V., Entov V.M., Rozhkov A.N. // Fluid Dynamics. 2011. V. 46. № 4. P. 613.
  14. Subbotin A.V., Malkin A.Y., Kulichikhin V.G. // Adv. Coll. Int. Sci. 2011. V. 162. № 1‒2. P. 29.
  15. Rozhkov A., Prunet-Foch B., Vignes-Adler M. // J. Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2015. V. 226. P. 46.
  16. Rozhkov A.N. // Russ. J. Biomech. 2021. V. 25. № 4. P. 338.
  17. Bird R.B., Armstrong R.C., Hassager O. Dynamics of Polymeric Liquids. New York: Wiley, 1987.
  18. Astarita G., Marrucci G. Principles of Non-Newtonian Fluid Mechanics. London: McGraw Hill, 1974.
  19. Bazilevskii A.V., Rozhkov A.N. // Polymer Science A. 2018. V. 60. № 3. P. 391.
  20. Adamson A.W. Physical Chemistry of Surfaces. New York: Wiley, 1976.
  21. Antonini C., Villa F., Bernagozzi I., Amirfa zli A., Marengo M. // Langmuir. 2013. V. 29. № 52. P. 16045.
  22. Bazilevskii A.V., Meyer J.D., Rozhkov A.N. // Fluid Dynamics. 2005. V. 40. № 3. P. 376.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Выбор концентрации модельных растворов ПАА и ПЭО, имитирующих реологическое поведение реальной ротовой жидкости, путем сопоставления результатов тестов модельных (кружки, квадраты) [15] и реальной ротовой жидкости (штриховые линии) [16]. Цветные рисунки можно посмотреть в электронной версии.

Скачать (267KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость изменения расстояния от капли воды до препятствия h во времени t для разных расстояний между иглами h0. Точкам соответствуют приведенные значения высоты падения капли и диаметра игл dc, dt. Зависимость аппроксимировалась уравнением свободного падения, из которого вытекает расчетная формула, показанная на графике. В рамках пакета “Origin 6.1” находились значения ti – время падения капли и vi ± ∆vi – скорость удара и точность ее определения. Столкновения происходили при скорости 0.2-0.5 м/c.

Скачать (441KB)
Метаданные
4. Рис. 3. (начало) Столкновение капли воды с препятствием (dc = 0.8 мм, di = 2.84 мм, f = 240 Гц) при разных значе ниях dt и h0: а, б – отскок и отрыв капли воды от препятствия при dt = 0.4 и 0.8 мм соответственно, h0 ~ 5 мм; в – отрыв капли воды от препятствия при dt = 0.4 мм и h0 ~ 10 мм; г – распад капли воды на две части, захват препятствием одной и отрыв другой, последующий отрыв оставшейся капли под действием удара следующей каплей при dt = 0.8 мм и h0 ~ 10 мм. Здесь и на рис. 4, 5 цифры под кадрами – номер видеозаписи и порядок кадров в ней.

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рис. 4. (начало) Столкновение капли ПАА-100 с препятствием (dc = 0.8 мм, di = 2.84 мм, f = 240 Гц) при разных значениях dt и h0: а – отскок и отрыв капли ПАА-100 от препятствия при d = 0.4 мм и h0 ~ 5 мм; б – захват первой капли ПАА-100 препятствием и последующий отрыв от него ударом следующей капли при dt = 0.8 мм и h0 ~ 5 мм; в, г – отскок и захват капли ПАА-100 препятствием и ее отрыв ударом следующей капли при dt = 0.4 и 0.8 мм соответственно, h0 ~ 10 мм. Здесь и на рис. 5 линейки на кадрах показывают масштаб изображения.

Скачать (2MB)
Метаданные
6. Рис. 5. (начало) Столкновение капли ПАА-1к с препятствием (dc = 0.8 мм, di = 2.86 мм, f = 960 Гц) при разных значениях dt и h0: а, б – захват капли ПАА-1к препятствием и ее отрыв ударом следующей капли с провисанием при dt = 0.4 и 0.8 мм соответственно, h0 ~ 5 мм; в – захват капли ПАА-1к препятствием и ее отрыв ударом следующей капли с провисанием при dt = 0.4 и 0.8 мм соответственно, h0 ~ 10 мм.

Скачать (4MB)
Метаданные
7. Рис. 6. Режимы столкновения отрыв (1, 3, 5) и захват (2, 4, 6) как функция высоты падения капли h и параметра упругости B: 1, 2 – вода; 3, 4 – ПАА-100; 5, 6 – ПАА-1к. Уровень B = 1.45 показывает приблизительную теоретическую границу перехода к разрушению капли при столкновении с цилиндрическим препятствием.

Скачать (128KB)
Метаданные
8. Схема 1.

Скачать (108KB)
Метаданные
9. Схема 2.

Скачать (386KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024