Томские ученые математически описали растекание капли
Томские ученые совместно с коллегами из Института теплофизики СО РАН провели комплексное исследование, посвященное поведению капель воды при их взаимодействии с твердой поверхностью. Впервые была разработана численная модель, описывающая деформацию капли, образование «пальцев» и процесс максимального растекания. Результаты работы опубликованы в журнале International Communications in Heat and Mass Transfer (Q1, IF: 6.4).
Научная группа математически рассчитала и экспериментально подтвердила, как скорость капли и параметры поверхности влияют на ее деформацию. Исследования показали, что при низкой скорости соударения (менее 0,5 м/с) капля сохраняет круглую форму. При средней скорости (от 1,2 до 2 м/с) пятно становится многоугольным, а при высокой скорости (свыше 3 м/с) на капле начинают формироваться «пальцы». Эти особенности связаны с углом контакта, скоростью движения контактной линии и характером взаимодействия капли с поверхностью.
Одной из ключевых инноваций стало использование модифицированной функции Хоффмана, учитывающей гистерезис контактного угла и скорость смачивания. Благодаря этому удалось повысить точность численных расчетов на 7% по сравнению с существующими моделями. Исследование позволило с высокой степенью детализации предсказать динамическую деформацию капли до момента ее максимального растекания, включая образование «пальцев» на ободе.
Максим Пискунов, доцент Научно-образовательного центра ТПУ, отметил, что понимание процессов взаимодействия жидкостей с поверхностями открывает новые возможности для оптимизации технологий. В частности, разработка может применяться в струйной печати, нанесении покрытий, распылении лакокрасочных материалов и противообледенении. Более того, методику можно адаптировать для других жидкостей и поверхностей, что делает ее универсальным инструментом для изучения гидродинамических процессов.
В рамках эксперимента были детально изучены закономерности формирования «пальцев». Например, при выпуклой форме обода капли и низкой скорости удара из него формируются выпуклости, количество которых увеличивается с ростом скорости. Кроме того, обнаружено, что шероховатость поверхности и критическая длина волны влияют на особенности деформации. Эти данные позволяют точнее управлять процессом нанесения жидкостей, что особенно важно для высокотехнологичных отраслей.
Иван Вожаков, старший научный сотрудник лаборатории физической гидродинамики Института теплофизики СО РАН, подчеркнул, что новая методика значительно повышает точность расчетов и может быть использована для масштабирования технологии до промышленных покрытий. Кроме того, она позволяет оптимизировать процессы нанесения жидкостей, обеспечивая более высокое качество и детализацию.
В будущем ученые планируют изучить влияние шероховатости поверхности на формирование волновых структур и число «пальцев» при изменении формы капли. Также предполагается исследовать процессы вблизи линии контакта, что позволит еще глубже понять физику взаимодействия жидкостей с поверхностями.
Ранее мы писали о новом способе опреснения воды.
