Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Интерес к изучению динамики и энергетики течений, возникающих при столкновении с высокой скоростью и свободном падении капель в жидкость, сопутствующих гравитационных, капиллярных и звуковых волн, переноса вещества капли в принимающую жидкость, и наоборот, вещества принимающей жидкости в атмосферу, обусловлен научной значимостью задачи и устойчивым ростом числа практических приложений в различных разделах гидроаэродинамики окружающей среды, механики, включая аэродинамику и ракетостроение, материаловедение, различные технологии в химической и биохимической промышленности, экологии и медицине. Число публикаций достаточно велико, обзоры охватывают от 100 до 700 ссылок. Традиционные исследования основываются на классических законах гидромеханики – уравнениях неразрывности и Навье – Стокса – в предположении постоянства плотности среды. Однако, как показали прецизионные измерения, динамическое состояние (собственные колебания и капиллярные волны на поверхности) влияет на характер взаимодействия падающей капли с принимающей жидкостью, направленность и интенсивность процессов обмена веществами между атмосферой и гидросферой на излучение звука в водную и воздушную среду, генерацию капиллярных волн на поверхностях погружающейся капли, венца и каверны, а также в окружающей жидкости. Исследования последних лет показали, что на характер течений, процессы генерации звука и перенос вещества активное влияние оказывают процессы переноса энергии, которая включает и механическую, и внутреннюю энергию. Внутренняя энергия характеризуется термодинамическими потенциалами, среди которых выделенным является потенциал Гиббса (свободная энтальпия), производные которого определяют плотность и другие термодинамические параметры среды. Экспериментально установлено, что термодинамические потенциалы в неоднородной жидкости со свободной поверхностью распределены неравномерно – плотность, диэлектрическая проницаемость, дипольной момент в толще жидкости отличаются от аналогичных свойств в структурно выделенном приповерхностном слое толщиной порядка размера молекулярного кластера. Цель работы – разработка методики и проведение высокоразрешающих прецизионных наблюдений картин течения и синхронных измерений акустических сигналов. Уточнение механизмов формирования течений, возникающих при взаимодействии капли с жидкостью, и связанных с ними источников акустического излучения, необходимо для выявления роли процессов передачи и трансформации энергии, построения адекватных математических моделей. Опыты проводились на стендах, входящих в комплекс уникальных установок "ГФК ИПМех РАН", основными элементами которых являются прямоугольные прозрачные бассейны различных размеров с парными оптическими иллюминаторами в боковых стенках. Регистрация картины течения проводилась высокоскоростной видеокамерой Optronis CR3000x2. Капли создавались с помощью дозатора, установленного на высоте 1 – 250 см. Область наблюдения освещалась прожекторами MultiLed. Акустические сигналы измерялись гидрофоном ГИ-54 (полоса частот 0.002-100 кГц) и микрофоном (0.01-40 кГц). Падающая капля запускала устройство синхронизации, включающее видео- и фоторегистрацию. Синхронизации оптических и акустических измерений обеспечивалась с погрешностью не хуже 0.2 мкс. Метрологические параметры эксперимента (чувствительность, пространственно-временное разрешение инструментов) выбирались с учетом собственных пространственно-временных масштабов изучаемых процессов. Высокая пространственно-временная разрешающая способность аппаратуры впервые позволила зарегистрировать и определить размеры короткоживущих тонкоструктурных компонентов возмущений поверхности в процессе образования всплеска, создаваемого упавшей каплей, когда контактируют одинаковые жидкости (в проведенных опытах капли воды свободно падали в воду). Наблюдаемые структуры отражают существование тонких структур течений, возникающих при быстром уничтожении свободной поверхности. При этом доступная потенциальная поверхностная энергия быстро преобразуется в тонком слое в другие формы (возмущения температуры, давления и механического движения). Концентрация энергии в слое обеспечивает сложность распределения поля скоростей в толще жидкости. Традиционные методики регистрации капельных течений не позволяют изучать геометрию быстро эволюционирующих процессов вследствие недостаточности временного или пространственного разрешения даже при высоком временном разрешении при сверхскоростной съемке. Проведенные опыты позволили обнаружить ряд тонких, но устойчиво воспроизводимых компонентов течения, которые не были замечены ранее. К их числу относятся: волокна в картине распределения вещества падающей капли в принимающей жидкости, которые сохраняются на всех этапах эволюции вплоть до полного вырождения течения, эффект рекурренции – восстановления тонкой структуры поверхности каверны и растущего всплеска после затухания мелкомасштабных возмущений, вызванных погружением капли, сложная многочастотная структура акустических сигналов, как начальных, так и запаздывающих. В акустических сигналах определены свойства двух основных групп – ударного импульса и резонансных пакетов, кардинально отличающихся по степени повторяемости и стабильности временных параметров. Спектральный состав сигналов в обеих группа характеризуется изменчивостью в широком диапазоне частот. При неизменных условиях опытов наблюдаются как простые одночастотные затухающие, так и сложные сигналы с модуляцией и изменяющейся частотой. Сопоставление картин подводных течений и акустических сигналов указывает, что процессы генерации резонансных звуковых пактов синхронизованы с отрывом газовых полостей от каверны, формирующейся при погружении капли или их разрывом на фрагменты. Длительность звучания зависит от степени начальной неоднородности геометрии звучащей полости, постепенно трансформирующейся в гладкую сфероидальную. Методами фото- и видеорегистрации также детально исследована эволюция картины течения, образующегося в результате падения капли водного раствора чернил в масло. При сохранении общих элементов – каверны, венца, капиллярных волн, всплеска – динамику картины течения в несмешивающихся жидкостях усложняет формирующаяся нестационарная контактная поверхность взаимодействующих сред. В зависимости от условий эксперимента и свойств сред картина пространственного распределения вещества капли различна. При погружении капли вещества, смешивающегося с принимающей жидкостью, формируется сетчатый рисунок с несколькими ярусами, число которых на разных фазах процесса зависит от скорости капли в момент контакта. Число ярусов уменьшается по мере увеличения скорости. Количество вещества, концентрирующегося в узлах сетчатой структуры, возрастает при одновременно снижении концентрации в ребрах сетки. В целом сетчатая картина распределения вещества капли по деформированной поверхности принимающей жидкости наблюдается в широком диапазоне чисел Вебера и Онезорге. На начальной стадии наиболее быстрым элементом течения является тонкий двойной слой – непрерывная (сплошная) граница контакта двух жидкостей, единство которого нарушается в фазе спадания венца. Выброшенные с зубцов венца капельки всегда содержат обе контактирующие жидкости, как и в случае смешивающихся сред. Поскольку раствор чернил быстрее сбегает, чем погружается его верхняя кромка, на внутренней поверхности венца образуют войды – свободные от воды участки масла, разделенные тонкими окрашенными волокнами. При погружении вязких несмешивающихся жидкостей (нефть, масло) формируется центральное пятно, покрывающее практически всю внутреннюю поверхность венца, с шеврона венца выступают зубцы, к которым примыкают короткие струйки, выбрасывающие вторичные капли. Положение контактной поверхности жидкости на венце зависит от относительного коэффициента поверхностного натяжения сред. Физическая модель появления тонких компонентов базируется на анализе процессов переноса энергии, характерное время которых существенно различается в одновременно происходящих диффузионных, трансляционных, волновых и прямых атомно-молекулярных процессах. Анизотропия действия атомно-молекулярных сил в областях с большими градиентами термодинамических величин (в частности высокоградиентных концентрационных прослойках и около свободной поверхности) проявляется в существовании доступной потенциальной поверхностной и химической видов энергии, которая может трансформироваться в другие формы – тепловую, механическую энергию течения жидкости, а также работу по созданию новой свободной поверхности. Учет переноса энергии расширяет традиционный подход к описанию капельных течений. Здесь динамика жидкостей описывается полной системой уравнений переноса вещества, плотности, импульса и энергии – аналогов законов сохранения для замкнутых систем – с физически обоснованными кинематическими и динамическими граничными условиями на контактных поверхностях. Существование тонкоструктурных компонентов периодических и нестационарных течений – следствие высокого ранга системы фундаментальных уравнений для слабо диссипативных сред. В полном описании в определяющую систему уравнений входит уравнение для внутренней энергии в форме потенциала Гиббса и его производных – традиционных термодинамических величин, с физически обоснованными граничными и начальными условиями. Ранг системы, степень линеаризованной версии и порядок характеристического (дисперсионного) уравнения находятся из условия совместности. Решения линейно системы положены в основу классификации структурных компонентов течений, включающих лигаменты (тонкие поверхности раздела или нити), волны и вихри. Разработанная классификация будет использоваться для совершенствования экспериментальной методики и расчетных кодов с учетом собственных масштабов процессов. Эксперименты, проведенные на стендах Гидрофизического комплекса для изучения динамики и тонкой структуры быстрых процессов, показали возможность его дальнейшего совершенствования и проведения экспериментов с имеющейся аппаратурой. Особый интерес представляет изучение картины течения при падении капли в непрерывно стратифицированную жидкость, где возмущения естественного поля плотности (и коэффициента оптического преломления, связанного с плотностью линейным соотношением) могут показать новые тонкоструктурные компоненты течения, не визуализируемые в традиционной постановке с однородной принимающей жидкостью.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Впервые идентифицированы четыре независимых механизма передачи энергии в течениях - быстрый прямой атомно-молекулярный на лигаментах, общеизвестный со скоростью течения, с групповой скоростью волн и медленный диссипативный (диффузионный). Впервые экспериментально показано действие быстрого прямого атомно-молекулярного механизма при формировании быстрых брызг, скорость которых больше скорости капли. Впервые экспериментально прослежено образование вихревых петель на поверхности каверны в однородной и стратифицированной жидкости. Впервые экспериментально показана роль тонких течений (триклов), сопровождающих капиллярные волны в отрыве и возбуждении колебаний газовых пузырьков, излучении звука. Впервые прослежена тонкая волокнистая структуризация распределения вещества в принимающей жидкости и обозначен физический механизм ее реализации. Впервые экспериментально зарегистрирован новый класс структур распределения вещества падающей составной капли в принимающей жидкости - "перечеркнутая решетка", состоящий из отдельных систем полос, разделенных радиальными границами. Впервые экспериментально прослежена трансформация спектра акустического сигнала импакта капли. Все результаты опубликованы в отечественной и зарубежной (переводы и оригинальные статьи), обсуждались на международных конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проведен анализ свойств системы фундаментальных уравнений, позволяющей описывать динамику и структуру течений без привлечения дополнительных гипотез и констант с включением в качестве уравнений состояния распределения плотностей сред и потенциала Гиббса. При анализе физических моделей течений учитываются четыре механизма передачи энергии - со скоростью потока и групповой скоростью волн, медленными диссипативными процессами и в ходе быстрых прямых процессов перестройки атомно- молекулярный структуры вещества при уничтожении свободной поверхности сливающихся жидкостей. Анализ системы определяющих уравнений с учетом условия совместности в линейном и слабонелинейном приближениях позволил выделить новый класс тонких течений – лигаментов. Определены условия полного и частичного лабораторного и численного моделирования течений жидкости. Рассчитаны параметры лигаментов – диссипативно-диффузионных компонентов течений, определяющих тонкую пространственную структуру течений. Лигаменты в эксперименте имеют вид тонких высокоградиентных прослоек и волокон. Они занимают промежуточное место между атомно-молекулярными и макроскопическими процессами и играют важную роль в динамике и структуре капельных течений. Процессы трансформации внутренней энергии в другие формы формируют наиболее тонкие компоненты структуры течений Доработана методика экспериментальных исследований, выполненных на этапе 3 проекта с учетом результатов анализа системы фундаментальных, впервые позволила в единой постановке провести исследования динамики и тонкой структуры на начальном этапе формирования капельных течений и выделить несколько стадий, содержащих характерные структурные элементы, как основу будущих классификаций режимов течений. Работы 2021 года выполнены с модифицированной системой подсветки области наблюдений. Усовершенствована техника согласованного оптического и акустического эксперимента, позволяющая синхронизовать видео- и аудиограммы процессов с погрешностью не более 0.2 мкс. Доработан стенд ЭСП УИУ "ГФК ИПМех РАН", изготовлен волнопродуктор гравитационно-капиллярных волн, впервые проведены исследования картин растекания капель смешивающейся жидкости (слияние раствора чернил с водой) в поле двумерных регулярных волн. Параметры жидкостей контролировались с помощью Тензиометра TС-1 и вискозиметров. В конце 2021 года стенды дополнены новой высокоскоростной видеокамерой i-Speed 717, дистанционным измерителем скорости микрочастиц PIV Lavision и новым Блоком управления экспериментом собственной разработки, позволяющим повысить информативность и пространственно-временную разрешающую способность. Впервые экспериментально прослежен процесс распада границы области слияния жидкостей. В окрестности линии контакта визуализированы кольцевые капиллярные волны и быстрые тонкие радиальные струйки. Струйки наблюдались при слиянии и прозрачных, и окрашенных жидкостей. Они текут по поверхности каверны, достигают кромки венца и образуют шипы (спайки) с вершин которых вылетают мелкие капельки. Прослежена эволюция сложной картины системы брызг, вылетающих с вершин первичных шипов на границе области контакта жидкостей и вторичных на кромке венца. Общая картина течения сохраняется в выбранном режиме слияния. В опытах выделены два вида процессов слияния капли: интрузивный с запаздыванием формирования каверны и растекания с образованием полусферической каверны. Однако детали структуры меняются от опыта к опыту при неизменных условиях. Изменчивость картины обусловлена сложностью нестационарной картин рэлеевских осцилляций капли и кольцевых капиллярных волн, бегущих по поверхности капли, которые случайным образом возбуждаются в процессе отрыва капли. Вариации поверхности меняют форму вершины капли в момент первичного контакта с принимающей жидкостью, которая может быть выпуклой, вогнутой и неровной. Соответственно, изменяются и сценарии слияния капли с принимающей жидкостью. Вещество растекающейся капли образует сложную линейчатую и сетчатую картину на поверхности каверны и стенках венца. В узлах сетки поверхность каверны деформируется и в толщу принимающей жидкости вторгаются мелкие вихри, содержащие волокна с жидкостью капли. Со временем вихри трансформируются в наклонные волокнистые петли, вторгающиеся в жидкость. В ходе дальнейшей эволюции течений геометрия петель изменяется, однако волокнистое распределение вещества капли в покоящейся принимающей жидкости сохраняется на всех последующих этапах эволюции вплоть до формирования кольцевого вихря и его распада на вихревые каскады. Распад капли на волокнистые структуры сохраняется и в случае протекания химических реакций. В опытах впервые зарегистрированы системы наклонных волокнистых петель под поверхностью каверны при слиянии капель раствора хлорного железа и раствора роданида аммония. Область реакции, которую визуализирует ярко окрашенный раствор роданида железа, располагается на волокнах на поверхности каверны и венца и в наклонных волокнистых петлях, вторгающихся в принимающую жидкость. Проведенные опыты указывают на существование нового сценария слияния смешивающихся жидкостей, а именно, взаимопроникновение волокнистых структур. Сформировавшиеся неоднородности распределения вещества переносятся течениями в жидкости и выравниваются процессами молекулярной диффузии. Механизм взаимопроникновения универсальный, наблюдался при погружении более легкой нейтральной жидкости в тяжелую и тяжелой в более легкую, а также при химических реакциях. Режим взаимопроникновения тонких волокон дополняет традиционно изучаемые процессы смешивания и перемешивания жидкостей (stirring and mixing of fluids). Прослежен перенос вещества капли, падающей на поверхность жидкости с бегущими капиллярно-гравитационными волнами. В широком диапазоне частот волн в окрестности минимума групповой скорости общая картина растекания капли сохраняет свою структуру. Далее первичное пятно распадается медленно движущийся собственный остаток, более быстрое погружающееся вихревое кольцо и приповерхностную струю с дипольным оголовком. Все компоненты течения сохраняют тонкую волокнистую структуру, разрушаемую процессами молекулярной диффузии. Впервые изучена структура капельных течений, которые формируются каплей воды, падающей на поверхность расплавленного металла (сплав Розе при температуре 200-250ºС). Прослежена эволюция общей геометрии сложного течения, включающего взвешенный водно-паровой объем и отдельные брызги, вылетающие в широком спектре углов. Выделены четыре вида брызг: водные, водно-паровые, многокомпонентные с металлическим ядром и водной оболочкой и металлические, доля которых меняется по мере эволюции течения. Впервые экспериментально показано, что все режимы изменения структуры течения сопровождаются генерацией волн двух типов: гравитационно-капиллярных и звуковых. Гравитационно-капиллярные волны образуются при резком изменении формы и потере сплошности течения (слияния первичной капли, вокруг основания растущего всплеска, отрыва вторичной капли от всплеска или стримера, на различных этапах погружения всплеска). Пакеты высокочастотных акустических волн образуются при первичном контакте капли с принимающей жидкостью и с задержкой при отрыве газовых пузырьков с разрывом связывающей перемычки. Впервые экспериментально установлена связь частоты и фазы объемных осцилляций осесимметричных газовых пузырьков с амплитудно-частотными параметрами акустических сигналов. Развитие методики регистрации капиллярных волн в центральной области импакта капли позволило уточнить детали сложной динамики процессов погружения всплеска, формирования системы вторичных каверн и образования газовых полостей сложной формы, трансформирующихся в газовые пузырьки. Факт образования групп капиллярных волн на стенках конической каверны обозначил процесс отрыва основания погружающегося всплеска от движущейся поверхности жидкости и вторичного примыкания при смене фазы ее движения. Впервые детально прослежена эволюция форм вторичных каверн, выделена фаза быстрого изменения их размеров, обусловленная взаимодействием всплеска и вторичной капли, выброшенной с вершины всплеска, со стенками каверны, сопровождающимся процессами быстрой трансформации поверхностной энергии в другие формы. Проведено экспериментальное исследование геометрии струй электрогидравлической форсунки с диаметром распыливающих отверстий 0.12, 0.13 и 0.135 мм. Изучено влияние давления впрыска в диапазоне от 30 до 150 МПа и противодавления от 0 до 16 МПа, а также формы канала форсунки с двумя выходами на геометрические параметры и динамику развития капельных струй углеводородного топлива (дизельное топливо). Анализ геометрии течений показывает, что обе струи начинают свое движение практически одновременно, но с различными скоростями, которые отличаются более чем в два раза. На больших временах фронты струй перемещаются практически одинаково. Повышение давления впрыскивания способствует снижению угла пограничного слоя струи, содержащего смесь воздуха и капель топлива, с 22…27° при 50 МПа до 17…18° при 250 МПа. В процессе впрыскивания наибольшие колебания пограничного слоя струи относительно ее оси зарегистрированы при 50 МПа. Затем, с увеличением давления впрыскивания колебания ядра уменьшаются и становятся практически незаметными при 250 МПа. Режим истечения топлива оценивался числом кавитации – относительной разности давления и противодавления. При диаметре распыливающих отверстий 0.13 мм и давлении 30 МПа коэффициент расхода увеличивается от 0.716 до 0.738 в диапазоне чисел кавитации от 29 до 149. Выполнено аналитическое прогнозирование развития направлений исследования гидравлики распылителей. На ближайшую перспективу развития транспортной отрасли дизельный двигатель будет оставаться доминирующей энергетической установкой. Его рабочий процесс нуждается в дальнейшем совершенствовании для удовлетворения действующим и перспективным экологическим нормам. Это достижимо управлением на каждом режиме работы двигателя следующими параметрами: вихревым движением, давлением и температурой заряда; массовой скоростью подачи топлива в начальной фазе впрыскивания; дроблением цикловой подачи топлива на отдельные порции, подаваемые с интервалом в камеру сгорания (до трех за цикл); увеличением давления впрыскивания до 300 МПа, а в перспективе – до 500 МПа; распределением топлива по объему камеры сгорания с учетом теплового состояния поверхностей, ограничивающих ее, за счет перераспределения топлива, подаваемого в цилиндр по каналам распылителя с различными гидравлическими характеристиками. Дальнейшее развитие теории капельных течений на основе масштабно и параметрически инвариантной системы фундаментальных уравнений с учетом механизмов передачи энергии и методики экспериментов, определяющей естественные физические переменные и геометрию их полей позволит развить инженерную математику описания течений с гарантированной оценкой погрешностей без привлечения дополнительных гипотез и констант.