Экспериментальное исследование полей потока вблизи движущейся линии контакта жидкость-жидкость
В исследовании, опубликованном в Европейском физическом журнале Special Topics, Хариш Диксит из Индийского технологического института Хайдарабада и его коллеги изучают движение линии контакта, образующейся на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей и твердого тела. Эксперименты заполняют пробел в гидродинамике и предлагают механизм наложенных граничных условий, который ускользает от математического описания. Учёные заполнили прямоугольный резервуар двумя слоями жидкости — силиконовым маслом поверх сахарной воды — с одинаковой плотностью, но значительно разной вязкостью. Исследователи поместили предметное стекло на край резервуара, которое они могли перемещать вертикально, создавая движущуюся линию контакта. Используя технику, которая отслеживает крошечные частицы, попавшие в жидкости и освещенные лазерным светом, исследователи одновременно нанесли на карту поле потока по обе стороны границы раздела жидкость-жидкость, перемещая предметное стекло. Они обнаружили, что скорости потока быстро уменьшались вблизи линии контакта. Кроме того, граница раздела жидкости, казалось, скользила по движущемуся предметному стеклу, а не оставалась прижатой к нему, что устраняло кажущуюся «сингулярность» в моделях, которые накладывают граничные условия, препятствующие скольжению, на движущейся стенке.
Камеры и лазеры измеряют поля течения вблизи движущейся линии контакта жидкость-жидкость.
Фото: Специальные темы Европейского физического журнала (2024 г.). DOI: 10.1140/epjs/s11734-024-01170-x
Большинству из нас знаком классический пример движущейся контактной линии жидкости и газа на твердой поверхности: капля дождя, сдвинутая ветром, ползет по стеклу ветрового стекла. Движение контактной линии зависит от взаимодействия между силами вязкости и поверхностным натяжением — взаимосвязи, которая была тщательно исследована в экспериментальной механике жидкости.
В исследовании, опубликованном в Европейском физическом журнале Special Topics, Хариш Диксит из Индийского технологического института Хайдарабада и его коллеги изучают движение линии контакта, образующейся на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей и твердого тела. Эксперименты заполняют пробел в гидродинамике и предлагают механизм наложенных граничных условий, который ускользает от математического описания.
Согласно теории, движение линии контакта жидкость-жидкость должно полностью определяться соотношением вязкости жидкостей и углом, под которым граница раздела жидкостей встречается с твердым телом. Чтобы изучить это в реальной системе, Диксит и его коллеги заполнили прямоугольный резервуар двумя слоями жидкости — силиконовым маслом поверх сахарной воды — с одинаковой плотностью, но значительно разной вязкостью. Исследователи поместили предметное стекло на край резервуара, которое они могли перемещать вертикально, создавая движущуюся линию контакта.
Используя технику, которая отслеживает крошечные частицы, попавшие в жидкости и освещенные лазерным светом, исследователи одновременно нанесли на карту поле потока по обе стороны границы раздела жидкость-жидкость, перемещая предметное стекло. Они обнаружили, что скорости потока быстро уменьшались вблизи линии контакта. Кроме того, граница раздела жидкости, казалось, скользила по движущемуся предметному стеклу, а не оставалась прижатой к нему, что устраняло кажущуюся «сингулярность» в моделях, которые накладывают граничные условия, препятствующие скольжению, на движущейся стенке.
Результаты подтверждают теоретические модели динамики линии контакта и предлагают параметры, которые могут улучшить численное моделирование, основанное на жидкостях одинаковой вязкости.
