Вихри, формирующиеся на границе двух жидкостей при падении капли. (кликните картинку для увеличения)

Наблюдения показывают, что некоторые капли жидкости, попадающие на поверхность другой жидкости, могут генерировать сложный узор брызг. Пример этого явления можно наблюдать при попадании капель дождя в воду. Хотя сам по себе этот процесс известен довольно давно, до сих пор было не ясно, что именно определяет хаотическую картину образующихся капель. Теперь же на базе созданных компьютерных моделей команда ученых из Саудовской Аравии показала, какие именно закономерности оказывают влияние на этот процесс. Полученные данные могут быть полезны при изучении физики океанов, а также в некоторых промышленных процессах, например, напылении покрытий.

Когда над океаном идет дождь, падающие капли воды при соприкосновении с поверхностью выбрасывают в воздух крошечные соленые брызги. Впоследствии эти брызги испаряются, оставляя в воздухе кристаллы соли, способные влиять на формирование облаков. Соответственно, лучшее понимание процессов, вызывающих образование соленых капель, поможет ученым узнать больше об атмосфере.

В рамках изучения этого вопроса группа ученых из University of Science and Technology (Саудовская Аравия) использовала высокоскоростную камеру, чтобы наблюдать эволюцию брызг, порожденных падающими каплями жидкости. Они обнаружили, что, если капля падает на поверхность достаточно быстро, а сама жидкость при этом не слишком вязкая, при падении образуется тонкая кольцевидная «волна» (скорее напоминающая всплеск), из «гребня» которой при определенных условиях могут формироваться более мелкие капли - брызги. Запись процесса для жидкостей с различной вязкостью в диапазоне скоростей капель показала, что полученная картина зависит от числа Рейнольдса – безразмерной величины, представляющей собой соотношение скорости капли к вязкости.

На втором этапе эксперимента ученые использовали компьютерное моделирование, чтобы показать, как волна распадается на отдельные капли при увеличении числа Рейнольдса. Как отмечают сами ученые, моделирование этого процесса было крайне сложным, т.к. в одной задаче присутствует слишком широкий диапазон пространственных масштабов. В частности, толщина кольцевидной «волны», о которой шла речь выше, при диаметре капли в 6 мм – не более 300 нм. Ранее этот факт препятствовал получению точных результатов для описанного процесса. А от ученых из Саудовской Аравии для работы с этими масштабами потребовалась разработка специального алгоритма, позволяющего для отдельных областей пространства использовать свою размерность.

Моделирование показало, что при условии не очень большого числа Рейнольдса, при падении капли на границе двух жидкостей появляется ряд концентрических кольцевых вихрей, которые сохраняются, даже когда капля оказывается ниже поверхности. Вертикальный разрез вихревой картины во многом напоминает так называемую «дорожку Кармана», образующуюся в жидкости при обтекании длинных цилиндрических тел. Но у границы капли картина нарушается. Моделирование показало, как именно связаны параметры явления и это «нарушение» ожидаемой картины вихрей, заканчивающееся, в конечном счете, образованием микрокапель (брызг). Следующим шагом ученые планируют наблюдать смоделированные процессы на эксперименте.

Коллеги ученых из других научных групп считают опубликованную работу революционной. Хотя описанное явление встречается повсеместно, механизм разбрызгивания капель качественно не был изучен. Полученные учеными результаты могут иметь большое значение для самых разных областей науки. В частности, структура вихрей, образующихся в процессе падения капель, вполне может влиять на технологические операции, например, напыление покрытий или распыление удобрений. 

Источник