КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-19-00451

НазваниеДвижение и разрушение струй, капель и всплесков растворов полимеров и поверхностно-активных веществ

РуководительРожков Алексей Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем

Ключевые словаметание, разрушение, струя, капля, всплеск, коалесценция, упругость, вязкость, поверхностное натяжение, полимер, ПАВ, раствор,

Код ГРНТИ30.17.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на исследование процессов движения, разрушения, коалесценции и фазовых/структурных превращений в ньютоновских и сложных жидкостях с упругими и особыми поверхностными свойствами. Добавки специальных примесей способны изменять гидродинамику жидкостей и позволяют управлять гидродинамическими явлениями, целенаправленно меняя физические свойства жидкостей. Исследуемые события важны и протекают в различных сферах новой техники, технологий и природных событий. В частности, это 1) течения, деформации и разрушения муцинозных биологических жидкостей (упруговязких слизей) в живых организмах, в том числе при передачи инфекций воздушно-капельным путем с участием упруговязкой ротовой жидкости; 2) процессы интенсивного деформирования и фрагментации/коалесценции макро-, мезо- и микрообъёмов жидкостей (струй, капель, всплесков) и пузырей во всевозможных сценариях метания, нанесения покрытий, кавитационного разрушения жидкостей, струйной печати (стандартной и 3D), топлив в двигателях, с/x химикатов и противопожарных смесей, а также других жидкостей в специальных метательных устройствах; 3) процедуры формования волокон (традиционными образом и методом электроспиннинга); 4) функционирование перспективных агрегатов космической энергетики - капельных (струйных) радиаторов для дальних космических перелётов; 5) управление процессами извлечения нефти, в том числе при помощи гидроразрыва пластов; и т.д. В проекте в первую очередь рассматриваются быстрые движения, в которых могут проявиться незаметные в обычных условиях особенности, связанные, например, с упругими свойствами (струи и капли с полимерными микродобавками) и неоднородностью поверхностного натяжения. Вместе с тем, относительно медленные на макроуровне движения также часто несвободны от эффектов модифицирующих добавок, например, при фильтрации жидкости в технологиях повышения нефтеотдачи пластов. Научная новизна предлагаемого подхода заключается в комплексном (экспериментальном, численном и теоретическом) исследовании влияние активных добавок на ряд гидродинамических конфигураций, отличительной особенностью которых является минимальное число определяющих факторов. В этом случае удаётся однозначно выявить роль того или иного фактора процесса. Так, например, при изучении удара капли о поверхность используется предложенный авторами метод, исключающий вязкое трение между жидкостью и поверхностью путём использования вместо неограниченной плоскости небольшого дискообразного препятствия. Некоторые гидродинамические конфигурации будут рассмотрены впервые. Будут рассмотрены следующие течения: всплески при импульсном вытеснении жидкости из кольцевого зазора, всплески при столкновении капли с небольшим препятствием и всплески при распаде волн Фарадея, коалесценция капель и пузырей. В качестве добавок будут использованы высокомолекулярные полимеры и быстрые/медленные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Ожидается выявление особенностей метания и разрушение жидкостей в зависимости от типа добавок. Предполагается построение теоретических критериев разрушения (связывающих свойства жидкостей и наблюдаемую картину течения) и их экспериментальная апробация . На основе полученных закономерностей будут предложены новые методы тестирования сложных жидкостей в различных режимах деформирования. Установленные закономерности движения и разрушения сложных жидкостей окажутся базисом для предсказаний течений в реальных процессах.

Ожидаемые результаты
В результате экспериментальных наблюдений и теоретического моделирования мы узнаем, каким образом деформируются и разрушаются сложные жидкости при их столкновении с разного рода препятствиями, а также в результате воздействия на жидкость определённых внешних факторов. В частности, будут установлены формы движения/разрушения сложных жидкостей 1) при радиальном вытеснении жидкостей из зазора между двумя сближающимися дисками, 2) при столкновении жидких капель со сложными твёрдыми препятствиями – небольшими дисками и пластинами с отверстиями на пути удара капель, 3) при столкновении капель и пузырьков друг с другом и последующей их коалесценции. 4) при разрушении поверхностных волн в поле силы тяжести. Ранее подобные классы течений исследовались систематически только для вязких и маловязких жидкостей, а некоторые, такие как радиальное метание, исследовались только авторами настоящего проекта. Новизной работ является то, что при изучении указанных классов движений мы совершаем переход от стандартных ньютоновских жидкостей к сложным жидкостям, т.е. к жидкостям с неньютоновской реологией и с нестандартными поверхностными свойствами. Нестандартные свойства приобретаются жидкостями в результате разного рода добавок (растворимых и нерастворимых). В качестве добавок будут использованы высокомолекулярные полимеры, поверхностно-активные вещества, сферы нейтральной плавучести и синтетические микроволокна, используемые в технологиях гидроразрыва пластов. Ожидается выявление неизвестных ранее особенностей метания и разрушения/коалесценции жидкостей и пузырьков в зависимости от типа добавок. В ходе исследований будут предложены теоретические модели движения различных классов жидкостей в исследуемых конфигурациях. Входные параметры моделей – параметры движения и физические характеристики жидкостей. Предполагается построение теоретических критериев разрушения, связывающих свойства жидкостей и наблюдаемую картину разрушения/коалесценции жидкостей. Запланированные результаты соответствуют мировому уровню исследований в области гидродинамики сложных жидкостей, на что можно надеяться исходя из того, что предыдущие работы авторов во многом его формировали (см,. например Bazilevsky et al., 2004; Rozhkov et al., 2003, 2015; Базилевский и др,. 2005), признанные мировым научным сообществом, как пионерские. На основе полученных в работе закономерностей будут предложены новые методы тестирования сложных жидкостей в различных режимах деформирования. Среди них всплески жидкостей, формируемые при при вытеснении жидкостей из щелевого зазора или при соударении капли с цилиндрическим препятствием (Базилевский и Рожков, 2018; Rozhkov et al., 2015; Bazilevsky and Rozhkov, 2020). Разработанные методы изучения жидкостей могут получить также приборное оформление, как это произошло, например, с одной из разработок Базилевского, Ентова, Рожкова - CaBER1 (http://www.campoly.com/files/8113/5216/6124/CaBER.pdf), серийно выпускаемой компанией International Thermo Haake. Развиваемые в работе методы исследования сложных жидкостей могут войти в арсенал средств медицинской диагностики, как это произошло, например, с методом анализа муцинозных образцов тканей (Базилевский и др,. 2011; Рожков, 2021). Подобные приложения запланированных результатов могут иметь социальное значение, как реологическое замещение физиотерапевтических методов диагностики, которые ряде случаев несвободны от побочных явлений, что особенно важно при обследовании детей. Установленные закономерности движения и разрушения сложных жидкостей окажутся базисом для предсказаний реальных течений, в условиях ограниченного прямого наблюдения и анализа, например, при взрывном диспергировании сложных жидкостей. Следует ожидать, что проектирование капельных (струйных) радиаторов для дальних космических полётов несомненно коснётся использования сложных (упругих) жидкостей, именно, с целью повышения устойчивости радиаторных струй в полёте. Это вызовет необходимость привлечения запланированных результатов по разрушению жидкостей для создания эффективной технологии отвода тепла в межпланетной космической станции (капельный радиатор), что может дать определённый экономический эффект при создании и функционировании станции. Другим приложением результатов проекта могут оказаться технологии распыления с/х химикатов и авиационного пожаротушения, так как в обоих случаях добавки (например, высокополимеров) позволяю эффективно управлять процессом дробления жидкости на капли, что оптимизирует данные технологии, как с экономической , так и с экологической точек зрения. Также полученные данные могут оказаться полезными при изучении процессов передачи инфекций воздушно- капельным путём, когда упруговязкая ротовая жидкость подвергается фрагментации при физиологических процессах чихании, кашле, разговоре, а также при соударении образовавшихся капель с материалом защитных медицинских масок и фильтров. Формируемая в результате фрагментации аэрозоль, в дополнении к крупным каплям, также является источником переноса инфекции. ЛИТЕРАТУРА Базилевский А.В., Мейер Д.Д., Рожков А.Н. 2005 Динамика и разрушение импульсных микроструй полимерных жидкостей. // Изв. РАН. МЖГ. 2005. № 3. С. 45-63. Базилевский А.В., Ентов В.М., Рожков А.Н.2011 Распад жидкого мостика - метод реологического тестирования биологических жидкостей // Изв. РАН. МЖГ. 2011. № 4. С. 119-129. Базилевский А.В., Рожков А.Н. 2018 Всплеск упругой жидкости – реологический тест полимерных растворов. Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2018. Т 60. № 3. С. 235–248. Рожков А.Н. 2021. Упругость и релаксационные свойства ротовой жидкости // Российский журнал биомеханики. 2021. Т. 25. № 4. С. 393-405. Bazilevsky A.V., Entov V.M., Rozhkov A.N. 1990. Liquid filament microrheometer and some of its applications // Proceedings of the Golden Jubilee Meeting of the British Society of Rheology and Third European Rheology Conference. 1990, Edinburgh, UK. London and N.Y.: Elsevier Applied Science. 1990. P. 41-43. Bazilevsky A. V., Rozhkov A. N. 2020. Impact of a small disk on a sessile water drop // Phys. Fluids. 2020. V. 32. P. 087101-1 - 087101-12. doi: 10.1063/5.0018179 Q1 Fedyushkin A. I., Rozhkov A. N. 2020. A coalescence of the droplets // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 927. 012055. DOI: 10.1088/1757-899x/927/1/012055 Fedyushkin A. I., Rozhkov A. N., Rudenko A. O. 2021.Collision of water drops with a thin cylinder // Journal of Physics: Conference Series. V. 2057, no. 1. P. 012034. DOI: 10.1088/1742-6596/2057/1/012034 Fedyushkin A. I., Rozhkov A. N. 2021. Criterion of drop fragmentation at a collision with a solid target (numerical simulation and experiment) // Journal of Physics: Conference Series. V. 2057, no. 1. P. 012129. DOI: 10.1088/1742- 6596/2057/1/012129 Rozhkov A., Prunet-Foch B., Vignes-Adler M. 2003 Impact of drops of polymer solutions on small targets // Physics of Fluids. 2003. V. 15. № 7. P. 2006-2019. Rozhkov A., Prunet-Foch B., Vignes-Adler M. 2015 Star-like breakup of polymeric drops in electrical field // Journal of Non- Newtonian Fluid Mechanics. 2015. V. 226. P. 46–59.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках проекта РНФ-2023 рассмотрены различные сценарии столкновения капель жидкости с препятствиями - см. Базилевский, Рожков 2023а,б; Руденко Рожков 2023; Федюшкин и др. 2023. Результаты экспериментальных и численных исследований динамики капли при её ударе о твёрдую поверхность, при обтекании каплей отверстия на плоскости, кольца, тонкой одиночной нити или пакета нитей показали (в зависимости от чисел Рейнольдса и Вебера, а также величины сил гравитации и реологических свойств жидкости) наличие следующих режимов: режим растекания, отскока, удержания и фрагментации капли (с частичной коалесценцией). Показано существование критического числа Вебера Wei *, при превышении которого будет происходить фрагментация капли при её ударе о небольшое препятствие. Численно и экспериментально показано, что данной конфигурации переход к разрушению всплеска воды на капли происходит при числах Вебера Wei>Wei*, где Wei * принадлежит (137, 206). (Рожков и др. 2023, Rozhkov et al. 2023, В работе по гранту проведено ИССЛЕДОВАНИе ДВИЖЕНИЯ УПРУГОЙ КАПЛИ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЕ В ПЛАСТИНЕ. Движение капли через отверстие в пластине – явление, которое наблюдается при столкновении капли со средствами защиты от инфицированных капель, а именно с медицинскими масками и фильтрами. Отверстия/каналы в средствах защиты пропускают воздух, но препятствуют движению капель, что блокирует распространение инфекции в воздушной среде [Bourouiba 2021]. Другим примером взаимодействия капли и отверстия является истечение капли из сопла печатающей головки струйного принтера [Базилевский и др. 2005]. В работе [Lorenceau and Quere 2003] проведено исследование влияния поверхностного натяжения и вязкости жидкости на движение капли через отверстие. Вместе с тем в некоторых случаях жидкость кроме вязкости и капиллярности может обладать упругими свойствами, которыми жидкости имеют в силу естественных причин [Рожков 2021], либо специальные добавки целенаправленно придают жидкости упругость для обеспечения тех или иных функциональных показателей [Базилевский и др. 2005]. Настоящая работа предпринята с целью выявления особенностей движения капли через отверстие в случае наличия у жидкости упругих свойств. Экспериментальные испытания заключались в скоростной видеозаписи движения капли через круглое отверстие в пластине (рис.1 к разделу 1.5). (Здесь и далее рисунки представлены в Файле с дополнительными материалами). Капля падала с высоты h0=5, 10 и 20 мм, отрываясь от иглы диаметром dc=0.8 мм. Диаметр отверстия dt=3 мм, капель di=3.00+-0.06 мм, толщина пластины 0.44 мм. Скоростная видеозапись осуществлялась бытовым смартфоном Honor 30S(CDY-NX9A). Частота кадров видеозаписи составляла 960 Гц. Исследовались капли воды, а в качестве упругих жидкостей испытаниям подвергнуты водные растворы полиакриламида молекулярной массы 11 млн. и концентраций 100 и 1000 млн-1 (ПАА-100 и ПАА-1к). Как показали реологические испытания ротовой жидкости, именно эти растворы наиболее близко могут моделировать гидродинамику ротовой жидкости [Рожков 2021, Rozhkov et al., 2015]. Типичные результаты наблюдений представлены на рис. 2 к разделу 1.5. Путём обработки видеозаписей построены траектории движения капель z=z(t) для различных жидкостей и высот падения h0 (рис. 3 к разделу 1.5). Наблюдения и измерения показали, что, несмотря на совпадение диаметров отверстия и капель, капли двигались через отверстие с касаниями пластины, в результате чего их траектории отличались от траекторий бесконтактного («беспрепятственного») движения через отверстие. Вероятно, контакты обусловлены колебаниями капель в полёте. Данные рис. 3 к разделу 1,5 также свидетельствуют, что касания вызывают более сильное торможение при малых высотах падения. Также более сильное торможение наблюдается у жидкостей с более высоким уровнем упругих добавок, что свидетельствует о благоприятном эффекте упругости жидкостей при использовании защитных средств. Результаты данного исследования представлены в [Руденко и Рожков 2023]. Литература к разделу 1.5 Базилевский А.В., Мейер Д.Д., Рожков А.Н. 2005 Динамика и разрушение импульсных микроструй полимерных жидкостей. // Известия РАН. МЖГ. 2005. № 3. С. 45-63. Базилевский А. В. , Рожков А . Н. 2023а ВСПЛЕСКИ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ // Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. C. 304-307. (РНФ2023) Базилевский А.В., Рожков А.Н. 2023б. УДАР МИКРОСТРУИ ВОДЫ ПО МИКРОВОЛОКНУ // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2023. № 5, с. 110–118. (РНФ2023) Калиниченко В.А. 2023. Частоты и профили стоячих изгибно-гравитационных волн. Изв. РАН. МЖГ. 2023. 5: 103-109. (РНФ2023) Рожков А.Н. 2021 Упругость и релаксационные свойства ротовой жидкости // Российский журнал биомеханики. 2021. Т. 25. № 4. С. 393-405. Руденко А.О. , Рожков А.Н. 2023 ДВИЖЕНИЕ УПРУГОЙ КАПЛИ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЕ В ПЛАСТИНЕ // Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. C. 417-419. (РНФ2023) Федюшкин А. И. , Гневушев А. А. , Захаров А. С., Рожков А.Н. 2023. РЕЖИМЫ ОБТЕКАНИЯ ЖИДКОЙ КАПЛЕЙ ТВЕРДЫХ ПРЕПЯТСТВИЙ // Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. C. 440-443. (РНФ2023) Bourouiba L. 2021 Fluid dynamics of respiratory infectious diseases // Annual Review of Biomedical Engineering. 2021. V. 23. P. 547577. Lorenceau E., Quere D. 2003 Drops impacting a sieve // Journal of Colloid and Interface Science. 2003. V. 263. P. 244-249. Rozhkov A., Prunet-Foch B., Fedyushkin A ., Vignes-Adler M. 2023. FRAGMENTATION OF WATER DROPS IN COLLISION WITH A SMALL OBSTACLE. Atomization and Sprays. 2023. Volume 33, N 10, P. 1-15 DOI 10.1615 AtomizSpr.2023044982. (РНФ2023) Rozhkov, A., Prunet-Foch, B., Vignes-Adler, M. 2015 Star-like breakup of polymeric drops in electrical field // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2015. V. 226. P. 46–59.

 

Публикации

1. А. В. Базилевский, А. Н. Рожков. ВСПЛЕСКИ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. МАИ. C. 304-307., Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. МАИ. C. 304-307. (год публикации - 2023)

2. А. И. Федюшкин, А. А. Гневушев, А. С. Захаров, А. Н. Рожков. РЕЖИМЫ ОБТЕКАНИЯ ЖИДКОЙ КАПЛЕЙ ТВЕРДЫХ ПРЕПЯТСТВИЙ Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. МАИ. C. 440-443., Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. МАИ. C. 440-443. (год публикации - 2023)

3. А. И. Федюшкин, Н. Г. Бураго ВЛИЯНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ВИБРАЦИЙ НА КАПИЛЛЯРНУЮ КОНВЕКЦИЮ МАРАНГОНИ В МОДЕЛИ ЧОХРАЛЬСКОГО Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. МАИ. C. 437- 440., Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. МАИ. C. 437- 440. (год публикации - 2023)

4. А. О. Руденко, А. Н. Рожков ДВИЖЕНИЕ УПРУГОЙ КАПЛИ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЕ В ПЛАСТИНЕ Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. МАИ. C. 417-419., Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), 4–10 сентября 2023 г., Дивноморское, Краснодарский край. C. 417-419. (год публикации - 2023)

5. Базилевский А.В., Рожков А.Н. УДАР МИКРОСТРУИ ВОДЫ ПО МИКРОВОЛОКНУ. Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа, № 5, с. 110–118 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S1024708423600331

6. Базилевский А.В., Рожков А.Н. ЭФФЕКТЫ КОАЛЕСЦЕНЦИИ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ КАПЕЛЬ ВОДЫ С ТОНКИМ ЦИЛИНДРОМ Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Девятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 18-20 октября 2023 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2023, - (год публикации - 2023)

7. Калиниченко В. А. ЧАСТОТЫ И ПРОФИЛИ СТОЯЧИХ ИЗГИБНО-ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН ИЗВЕСТИЯ РАН. МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА, 5, 103–109 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S1024708423600306

8. Федюшкин А.И., Гневушев А.А., Захаров А.С., Рожков А.Н. ВЛИЯНИЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ ПРИ ОБТЕКАНИИ ЖИДКОЙ КАПЛЕЙ ТОНКОЙ НИТИ ИПМех РАН, Москва, Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Девятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 18-20 октября 2023 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2023– ISBN 978-5-91741-288-7. С. 109–112. (год публикации - 2023)