Удар упругой капли по тонкому цилиндру

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. О. Руденко

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

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

A. Н. Рожков

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

Author for correspondence.
Email: rozhkov@ipmnet.ru
Russian Federation, 119526, Москва, пр. Вернадского, 101

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Selection of the concentration of model solutions of PAA and PEO simulating the rheological behavior of real oral fluid by comparing the test results of model (circles, squares) [15] and real oral fluid (dashed lines) [16]. Color drawings can be viewed in the electronic version.

Download (267KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependence of the change in distance from a drop of water to an obstacle h in time t for different distances between needles h0. The points correspond to the values given for the drop drop height and needle diameter dc, dt. The dependence was approximated by the equation of free fall, from which the calculation formula shown on the graph follows. As part of the “Origin 6.1” package, the values ti were the drop drop time and vi ± ∆vi – the impact velocity and the accuracy of its determination. Collisions occurred at a speed of 0.2-0.5 m/s.

Download (441KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. (beginning) Collision of a water drop with an obstacle (dc = 0.8 mm, di = 2.84 mm, f = 240 Hz) at different values of dt and h0: a, b – rebound and separation of a water drop from an obstacle at dt = 0.4 and 0.8 mm, respectively, h0 ~ 5 mm; c – separation of a water drop from obstacles at dt = 0.4 mm and h0 ~ 10 mm; d – the disintegration of a water drop into two parts, the capture of one obstacle and the separation of the other, the subsequent separation of the remaining drop under the impact of the next drop at dt = 0.8 mm and h0 ~ 10 mm. Here and in Fig. 4, 5, the numbers under the frames are the number of the video recording and the order of the frames in it.

Download (1MB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. (beginning) Collision of a drop of PAA-100 with an obstacle (dc = 0.8 mm, di = 2.84 mm, f = 240 Hz) at different values of dt and h0: a – rebound and separation of a drop of PAA-100 from an obstacle at d = 0.4 mm and h0 ~ 5 mm; b – capture of the first drop of PAA-100 an obstacle and subsequent separation from it by the impact of the next drop at dt = 0.8 mm and h0 ~ 5 mm; c, d – rebound and capture of a drop of PAA-100 by an obstacle and its separation by the impact of the next drop at dt = 0.4 and 0.8 mm, respectively, h0 ~ 10 mm. Here and in Fig. 5, the rulers on the frames show the scale of the image.

Download (2MB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. (beginning) Collision of a PAA-1k drop with an obstacle (dc = 0.8 mm, di = 2.86 mm, f = 960 Hz) at different values of dt and h0: a, b – capture of a PAA-1k drop by an obstacle and its separation by hitting the next drop with sagging at dt = 0.4 and 0.8 mm, respectively, h0 ~ 5 mm; b – the capture of a drop of PAA-1k by an obstacle and its separation by the impact of the next drop with sagging at dt = 0.4 and 0.8 mm, respectively, h0 ~ 10 mm.

Download (4MB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Collision modes separation (1, 3, 5) and capture (2, 4, 6) as a function of drop drop height h and elasticity parameter B: 1, 2 – water; 3, 4 – PAA-100; 5, 6 – PAA-1k. The level B = 1.45 shows the approximate theoretical boundary of the transition to the destruction of a drop in a collision with a cylindrical obstacle.

Download (128KB)
Indexing metadata
8. Scheme 1.

Download (108KB)
Indexing metadata
9. Scheme 2.

Download (386KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences