|
Механика
Взаимодействие падающей капли с поверхностью жидкости является одной из классических задач гидродинамики, которая в течение многих лет привлекает внимание исследователей. Обзоры по данной проблеме представлены в [1, 2]. Основная часть опубликованных работ связана с экспериментальным исследованием качественной картины процесса взаимодействия, результаты численного решения задачи о схлопывании каверны в рамках модели идеальной жидкости рассмотрены в [2, 3]. Физика процесса ударного взаимодействия капли с поверхностью жидкости представляет интерес при решении ряда прикладных задач, таких как оценка глубины кратера, образующегося за счет кумулятивного эффекта при столкновении микрометеоритов с корпусом космического аппарата [4], определение параметров акустических подводных шумов при падении дождевых капель на морскую поверхность [5] и т.д. В частности, эта задача рассматривалась в работах академика М.А. Лаврентьева при анализе подводного взрыва, в гидродинамической теории кумулятивного эффекта, вихреобразовании за счет неустойчивости тейлоровского типа [4].Одной из важных экологических задач является прогнозирование распространения капель токсичных компонентов, образующихся при выпадении атмосферных осадков на поверхность бассейнов – отстойников, расположенных на ряде предприятий химической, атомной и других отраслей промышленности. Для решения этой задачи необходимо знать количественные характеристики массообмена и параметры вторичных капель, образующихся при соударении капель осадков с поверхностью жидкости. В настоящем сообщении представлены результаты экспериментального исследования и аналитические оценки количественных характеристик массообмена при образовании вторичных капель разной дисперсности в результате ударного взаимодействия капли с поверхностью жидкости. Исследование проводилось на установке, состоящей из генератора монодисперсных капель, системы визуализации процесса взаимодействия падающей капли с поверхностью жидкости, а также системы измерения параметров падающей капли перед столкновением. Размер капель определялся весовым и визуальным методами, скорость взаимодействия определялась времяпролетным лазерным методом. В экспериментах в качестве модельной жидкости использовалась дистиллированная вода, варьировались диаметры исходных капель в диапазоне 2.8 - 5.0 мм и высота падения капли в диапазоне 0.1 - 2.7 м. При этом скорость взаимодействия изменялась в диапазоне 0.1 - 7.0 м/с. Взаимодействие капель регистрировалось двумя видеокамерами, позволяющими восстановить пространственную картину процесса. Анализ размерностей показывает, что рассматриваемая задача (в случае сферической первичной капли) полностью характеризуется тремя критериями подобия – числами Рейнольдса, Вебера и Фруда. В результате проведенных экспериментов были определены зависимости радиуса образующейся каверны, высоты и диаметра столбика Рэлея, количества, размеров и высоты подъема вторичных капель при распаде короны и столбика Рэлея от определяющих критериев подобия. Проведена аналитическая оценка основных характеристик процесса – радиуса каверны и высоты столбика Рэлея на основе уравнений баланса энергии в рамках упрощающих допущений. Полученные аналитические формулы позволяют качественно оценить характер исследуемых зависимостей. Анализ результатов исследования процесса столкновения капель с поверхностью жидкости показал, что в исследованном диапазоне определяющих параметров реализуется несколько механизмов образования вторичных капель разной дисперсности (распад короны, распад столбика Рэлея и распад вторичного столбика Рэлея). Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта 02 01-01246) и Минобразования РФ (код проекта Е02-12.3-108). Литература 1. Соловьев А.Д. Слияние капель жидкости при соударениях //Физика облаков и искусственных воздействий: Тр. Центральной аэрологической обсерватории. М., 1969. Вып. 89. С. 3-25. 2. Oguz H.N., Prosperetti A. Bubble entrainment by the impact of drop on liquid surfaces// J. Fluid Mech. 1990. V. 219. P. 143-179. 3. Коротков Г.Г. Численный эксперимент в задачах идеальной несжимаемой жидкости со свободными границами: Дис. …канд. физ.-мат. наук. Кемерово, 2002. 4. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М.: Наука, 1977. 5. Pumphrey H.C., Crum L.A., Bjorno L. Underwater sound produced by individual drop impacts and rainfall //J. Acoust. Soc. Amer. 1989. V. 85. P. 1518-1526.
Примечание. Тезисы докладов публикуются в авторской редакции
Дата последней модификации: 06-Jul-2012 (11:52:45)