ПОГРУЖАЮЩИЙСЯ И ВСПЛЫВАЮЩИЙ ВИХРЬ В КАРТИНЕ ПЛАВНОГО ВТЕКАНИЯ СВОБОДНО ПАДАЮЩЕЙ КАПЛИ ЭТАНОЛА В ВОДУ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Проведена сравнительная видеорегистрация картины слияния медленно падающих капель 0.01% водного раствора перманганата калия и меньшей плотности 95% раствора этанола, кинетическая энергия которых меньше потенциальной поверхностной энергии. Капля раствора большей, чем у принимающей жидкости плотности, плавно втекает в толщу жидкости, каверна образуется с запаздыванием. Тонущая интрузия трансформируется в кольцевой вихрь, который подталкивает растущая каверна. Капля этанола также втекает в толщу жидкости, но образует всплывающую интрузию, искажающую форму запаздывающей каверны. С окончания заострения конической каверны максимальной глубины в толщу жидкости выбрасывается небольшой вихрь, содержащий легкую жидкость. Размеры вихря, формирующего вторичную интрузию, практически не меняются при движении. Постепенно легкий вихрь останавливается и формирует вторичную интрузию. Центральная часть вторичной интрузии всплывает и трансформируется в вихревое кольцо. Размеры всплывающего под действием плавучести вихря увеличиваются со временем. Приведены графики эволюции размеров основных структурных компонентов.

Об авторах

Ю. Д Чашечкин

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: chakin@ipmnet.ru
Москва, Россия

А. Ю Ильиных

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: ilynykh@ipmnet.ru
Москва, Россия

Список литературы

  1. Rogers W.B. On the formation of rotating rings by air and liquids under certain conditions of discharge // Amer. J. Sci., Second Ser. 1858. V 26. P 246—258. https://biodiversitylibrary.org/page/36868460
  2. Thomson J.J., Newall H.F. On the formation of vortex rings by drops falling into liquids, and some allied phenomena // Proc. R. Soc. London. 1885. V 29. P 417-436. https://doi.org/10.1098/rspl.1885.0034
  3. Thompson D. W. On Growth and Form. Cambridge University Press. Cambridge. UK. 1917. 793 p.
  4. Edgerton H.E., Killian Jr. J.R. Flash. Hale, Cushman and Flint: Boston, USA, 1939. 203 p.
  5. Thoroddse, S.T.; Etoh T.G.; Takehara K. High-speed imaging of drops and bubbles // Ann. Rev. of Fluid Mech. 2008, 40(1), 257-285. doi: 10.1146/annurev.fluid.40.111406.102215.
  6. Versluis M. High-speed imaging in fluids // Exp. Fluids. 2013. V.54(2). P. 1-35.
  7. Okabe J., Inoue S. The Generation of Vortex Ring. Kyushu Univ., Rep. Res. Inst. Appl. Mech. 1960, 8(32), 91-101.
  8. Okabe J.; Inoue S. The generation of vortex rings, II. Rep. Res. Inst. Appl. Mech., Kyushu Universit. 1961, V. 9. P. 147-161
  9. Batchelor G. K. An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge University Press. Cambridge UK. 1967. 615 p.
  10. Chapman D., Critchlow P. Formation of vortex rings from falling drops // J. of Fluid Mech. 1967. V. 29(1). P. 177-185.
  11. Brutin D. Drop impingement on a deep liquid surface: study ofa crater’s sinking dynamics. C. R. Mecanique. 2003. V. 331. P. 61-66. doi: 10.1016/S1631-0721(02)00014-1
  12. Gao T.-C., Chen R.-H., Pu J.-Y., Lin T.-H. Collision between an ethanol drop and a water drop // Experiments in Fluids. 2005. V. 38. P. 731-738 doi: 10.1007/s00348-005-0952-1.
  13. Wal R.L.V., Berger G.M., Mozes S.D. The splash/non-splash boundary upon a dry surface and thin fluid film // Experiments in Fluids. 2006. V.40. P. 53-59. doi: 10.1007/s00348-005-0045-1
  14. Zen T.-S., Chou F.-C., Ma J.-L. Ethanol drop impact on an inclined moving surface // ICHMT. 2010. V. 37. P. 1025-1030. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2010.05.003.
  15. Bouchard D. J., Andredaki M., Georgoulas A., Marengo M., Chandra S. Penetration characteristics of a liquid droplet impacting on a narrow gap: Experimental and numerical analysis // Phys. Fluids. 2022. V. 34, 057111; https://doi.org/10.1063/5.0091045
  16. Thoraval M.-J., Takehara K., Etoh T. G., Thoroddsen S.T. Drop impact entrapment of bubble rings //J. Fluid Mech. 2013. V. 724. P. 234-258. doi: 10.1017/jfm.2013.147
  17. Liang G., Mudawar I. Review of mass and momentum interactions during drop impact on a liquid film // Int. J. Heat Mass Transf. 2016. V.101. P. 577-599. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.05.062
  18. Kirar P.K., Alvarenga K., Kolhe P., Sahu K.C. Coalescence of drops on the free-surface f a liquid pool at elevated temperatures // Phys. Fluids. 2020. V. 32, 052103. doi: 10.1063/5.0007402
  19. Rodriguez F., Mesler R. The penetration of drop-formed vortex rings into pools of liquid // J. of Colloid and Interface Sc. 1988. V. 121(1). P. 121-129
  20. Durst F. Penetration length and diameter development of vortex rings generated by impacting water drops // Experiments in Fl. 1996. V. 21. P. 110-117
  21. Dooley B., Warncke A., Gharib M. et al. Vortex ring generation due to the coalescence of a water drop at a free surface // Experiments in Fl. 1997. V. 22. P. 369-374
  22. Peck B., Sigurdson L., Faulkner B., Buttar I. An apparatus to study drop-formed vortex rings // Meas. Sci. Technol. 1995. V 6(10). P 1538-1545
  23. Peck B., Sigurdson L. The three-dimensional vortex structure of an impacting water drop // Phys. of Fluids. 1994. V. 6(2). P. 564-576
  24. Sigurdson L. Atom bomb/water drop (P. 78). In: Samimy M., Breuer K. S., Leal L.G., Steen P. H. A Gallery of Fluid Motion. Cambridge University Press. Cambridge, UK. 2003. 128 p.
  25. Lee J.S., Park S.J., Lee J.H., Weon B.M., Fezzaa K., Je J.H. Origin and dynamics of vortex rings in drop splashing // Nature Commun. 2015. V. 6(1). doi: 10.1038/ncomms9187
  26. Saha A., Wei Y., Tang X., Law C. K. Kinematics of vortex ring generated by a drop upon impacting a liquid pool // J. of Fluid Mech. 2019. V. 875, P. 842-853. doi: 10.1017/jfm.2019.503
  27. Meleshko V., Aref H. A bibliography of vortex dynamics 1858-1956 // Advances in Applied Mechanics. 2007. V. 41. P. 197-292. doi: 10.1016/s0065-2156(07)41003-1.
  28. Fukumoto Y., Moffatt H.K. Motion and expansion of a viscous vortex ring. Part 1. A higher-order asymptotic formula for the velocity // J. Fluid Mech. 2000. V. 417. P. 1-45. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112000008995.
  29. Turner, J. S. Buoyant Vortex Rings. Proceedings of the Royal Society A. 1957. V. 239(1216). P. 61-75. doi: 10.1098/rspa.1957.0022
  30. Turner, J. S. Buoyancy effects in fluids. 1980. Cambridge University Press. Cambidge. UK. 412 p.
  31. Степанова Е.В., Чашечкин Ю.Д. Перенос маркера в составном вихре // МЖГ. 2010. №6. С. 12-29 Stepanova E. V., Chashechkin Yu. D., Marker transport in a composite vortex // Fluid Dyn. 2010. V. 45 (6). P. 843-858. doi: 10.1134/S0015462810060025
  32. Чашечкин Ю. Д. Перенос вещества окрашенной капли в слое жидкости с бегущими плоскими гравитационно-капиллярными волнами // Известия РАН. ФАО. 2022. Т. 58, № 2. С. 218-229. doi: 10.31857/S0002351522020031 Chashechkin Yu. D. Transfer of the substance of a colored drop in a liquid layer with travelling plane gravity-capillary waves // Izvestiya, AOP. 2022. V. 58 (2). P. 188-197. doi: 10.1134/S0001433822020037
  33. Chashechkin Yu. D., Ilinykh A. Y. Intrusive and impact modes of a falling drop coalescence with a target fluid at rest // Axioms. 2023. V. 12 (4). P. 374. doi: 10.3390/axioms12040374
  34. Zhang Y., Mu Z., Wei Y., Jamil H., Yang Y. Evolution of the heavy impacting droplet: Via a vortex ring to a bifurcation flower // Phys. of Fluids. 2021. V. 33. P. 113603. https://doi.org/10.1063/5.0064072
  35. Чашечкин Ю. Д., Ильиных А. Ю. Задержка формирования каверны в интрузивном режиме слияния свободно падающей капли с принимающей жидкостью // Доклады РАН. 2021. Т. 496 (1). С. 45-50. doi: 10.31857/s268674002101003x Chashechkin Yu. D., Ilinykh A. Y. The delay in cavity formation in the intrusive coalescence of a freely falling drop with a target fluid // Doklady Physics. 2021. V. 66 (1). P. 20-25. doi: 10.1134/S102833582101002X
  36. Thomson W., Tait P.G. A Treatise on Natural Philosophy. Clarendon Press, Oxford, UK. 1867. 727 p.
  37. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука. 1986. 736 с. Landau L.D., Lifshitz E.M. Fluid Mechanics. V. 6. Course of Theoretical Physics, Pergamon Press: Oxford, UK, 1987; 560 p.
  38. Feistel R. Thermodynamic properties of seawater, ice and humid air: TEOS-10, before and beyond // Ocean Sciences. 2018. V. 14. P. 471-502. https://doi.org/10.5194/os-14-471-2018
  39. Harvey A. H., Hruby J., Meier K. Improved and always improving: reference formulations for thermophysical properties of water // J. of Phys. and Chem. Ref. Data. 2023. V. 52. P. 011501. doi: 10.1063/5.0125524.
  40. Eisenberg D., Kauzmann W. The Structure and Properties of Water (Oxford Classic Texts in the Physical Sciences). Oxford University Press: Oxford, UK.2005. 308p.
  41. Teschke O., de Souza E.F. Water molecule clusters measured at water/air interfaces using atomic force microscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2005. V. 7(22). P. 3856-3865. DOI: https://doi.org/10.1039/B511257E
  42. Bunkin N.F., Suyazov N.V., Shkirin A.V., Ignat’ev P.S., Indukaev K.V. Study of Nanostructure of highly purified water by measuring scattering matrix elements of laser radiation // Phys. Wave Phenom. 2008. V. 16. P. 243-260. doi: 10.3103/S1541308X08040018
  43. Malenkov G. G. Structure and dynamics of surfaces of thin films and water microdroplets // Colloid Jour. 2010. V. 72(5). P. 649-659. doi: 10.1134/S1061933X1005011X.
  44. Chashechkin Y.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axioms. 2021. V. 10(4). P. 286. https://doi.org/10.3390/axioms10040286
  45. Naifeh A. Introduction to Perturbation Methods. New York. Wiley-VCH. 1981. Найфэ А. Введение в методы возмущений. М.: Мир. 1984. 532 с.
  46. Chashechkin Yu.D. Conventional partial and new complete solutions of the fundamental equations of fluid mechanics in the problem of periodic internal waves with accompanying ligaments generation // Mathematics. 2021. V. 9(6). P. 586. https://doi.org/10.3390/math9060586.
  47. Chashechkin Y.D., Ochirov A.A. Periodic flows in a viscous stratified fluid in a homogeneous gravitational field // Mathematics. 2023. V. 11. P. 4443. https://doi.org/10.3390/math11214443
  48. Li E.Q., Thoraval M.-J., Marston J.O., Thoroddsen S.T. Early azimuthal instability during drop impact // J. Fluid Mech.. 2018. V.848. P. 821-835. doi: 10.1017/jfm.2018.383
  49. Chashechkin Yu.D., Ilinykh A.Yu. Fine Flow Structure at the Miscible Fluids Contact Domain Boundary in the Impact Mode of Free-Falling Drop Coalescence // Fluids. 2023. 8(10). P. 269. https://doi.org/10.3390/fluids8100269.
  50. УИУ “ГФК ИПМех РАН”: Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере. Сайт: http://www.ipmnet.ru/uniqequip/gfk/#equip.
  51. Rayleigh L. Some applications of photography //Nature. 1891. V 44. P. 249—254.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024