Томские ученые выяснили, как появляются короны у капель воды

Ученые Томского политеха вместе с коллегами из Института теплофизики СО РАН выяснили, как скорость и характер удара о микротекстурированную поверхность влияют на появление короны у капель воды. Результаты исследования помогут создать водоотталкивающую защиту для лопастей ветровых и газовых турбин, а также систем противообледенения самолетов.

Как объясняют в пресс-службе вуза, при высокоскоростном ударении капли воды о поверхность она разлетается в виде короны и множества мелких капель. Этот процесс влияет на эрозию материалов, эффективность теплообмена и удаление капель воды с поверхности. Однако показатели скоростей и размеров самих капель, которые встречаются при столкновении с поверхностями в реальных условиях, редко становились предметом исследования.

Ученые провели серию экспериментов с титановыми пластинами с фторполимерным покрытием и различным уровнем шероховатости, полученной с помощью лазерной обработки. Об них политехники с высокой скоростью (от 5 до 20 м/с) ударяли капли воды диаметром от 0,5 до 1,3 мм.

— Мы установили, что микро- и наноструктура поверхности влияет на симметрию короны капель и скорость разбрызгивания. Так, на микротекстурированных поверхностях корона капель будет симметричной и устойчивой, а на шероховатых необработанных — асимметричной. При этом удаление жидкости во время распада короны может замедляться в зависимости от уровня шероховатости. Понимание этих процессов позволит выбрать оптимальные характеристики поверхностей, обеспечивающие и водоотталкивающую, и противообледенительную способности, — отмечает один из авторов исследования, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ Максим Пискунов.

Эксперименты показали, что идеальная корона у капель формируется при угле соприкосновения с текстурированной поверхностью от 74 до 164 градусов и при числе Вебера, отношении инерции жидкости к поверхностному натяжению, от 450 до 2 800. Увеличение этих параметров усиливает инерционные эффекты в короне капли. Так, чем выше число Вебера, тем энергичнее формируется и распадается корона у капель.

В итоге ученые вывели эмпирическую модель, которая позволяет предсказать, как сильно будет развиваться корона у капель и ее диаметр в момент распада. Она учитывает влияние инерции капель и адгезию поверхности. Выяснилось также, что модель способна предсказывает диаметр короны в пределах 20% для капель воды и этанола в пределах заявленных показателей.

— Слабый удар капли о поверхность приводит к менее выраженной короне и почти отсутствию брызг, однако это не гарантирует более широкую зону смачивания: при невысокой скорости капля хуже распространяется по материалу. То, как долго вода задержится, определяется прежде всего не степенью шероховатости, а водоотталкивающими свойствами и правильно подобранной микро- и нанотекстурой покрытия. Правильная текстура помогает быстрее сбрасывать воду и лед. Поверхности с высоким сцеплением, напротив, удерживают влагу дольше, — добавляет ассистент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Никита Хомутов.

В исследовании приняли участие ученые Инженерной школы энергетики, Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ и Института теплофизики СО РАН.

Подписывайтесь на наш телеграм-канал «Томский Обзор».