Диссертация Динамика и разрушение капель сложных жидкостей

Подождите немного. Документ загружается.

Институт проблем механики Российской академии наук

На правах рукописи

Рожков Алексей Николаевич

ДИНАМИКА И РАЗРУШЕНИЕ КАПЕЛЬ СЛОЖНЫХ

ЖИДКОСТЕЙ

01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-

математических наук

Научный консультант

д.т.н., профессор В.М.Ентов

Москва - 2004

Содержание

Аннотация 3

Введение 4

Глава 1. Разрушение сложных жидкостей

(Обзор)

Глава 2. Динамика и разрушение импульсных

микроструй полимерных жидкостей

Глава 3. Динамика и разрушение капли воды

при столкновении с твердым препятствием

Глава 4. Динамика и разрушение капли

полимерного раствора при столкновении с

твердым препятствием

115

Глава 5. Динамика и разрушение капли

раствора поверхностно-активных веществ при

столкновении с твердым препятствием

147

Глава 6. Разрушение полимерных жидкостей

при высокоскоростном ударе

172

Основные выводы и результаты работы 201

Литература 203

Иллюстрации 228

АННОТАЦИЯ

В работе экспериментально и теоретически исследованы процессы

деформирования и разрушения капель жидкостей при их импульсном

метании и соударении с твердыми препятствиями. Спецификой работы

является исследование растворов полимеров и поверхностно-активных

веществ - жидкостей, реологические и поверхностные свойства

которых отличаются от свойств стандартных жидкостей. Другой

особенностью работы является использование нестандартных

гидродинамических ситуаций, таких как импульсное метание капли,

столкновение капли с небольшим твердым препятствием,

высокоскоростное ударное диспергирование жидкости. Выбор

подобных ситуаций объясняется желанием минимизации числа

определяющих факторов задачи, и, как следствие, однозначной

интерпретации результатов наблюдений. В работе экспериментально

установлены закономерности деформирования и разрушения капель

жидкостей при динамическом воздействии. Построено теоретическое

описание деформационного поведения капель при импульсном метании

и ударе о твердую поверхность, а также установлены критерии

реализации различных режимов разрушения капель.

Введение

Актуальность проблемы определяется широтой и многообразием

процессов деформирования и разрушения капель простых и сложных

жидкостей в природе и технике. Разрушение жидкости на капли играет

ведущую роль в технологиях распыления топлива в двигателях,

нанесения покрытий, струйной печати, капельного охлаждения,

обработки растений химикатами, орошения посевов и во многих

других. Несмотря на значительное внимание к рассматриваемой

проблеме, до сих пор не найдено адекватного описания процессов

разрушения жидкостей в ряде простейших ситуаций даже для

идеальной жидкости. Вместе с тем, свойства реальных жидкостей

могут существенно отличаться от модельных представлений. Добавки

примесей к жидкости способны в ряде случаев существенно изменять

характер течения. Так, в частности, добавки полимера подавляют или

замедляют распад объемов жидкости на отдельные капли, а добавки

поверхностно-активных веществ замедляют движение на определенной

стадии удара капель о твердую поверхность. Примеси могут

добавляться к жидкости специально с целью управления динамикой и

распадом капель, а могут присутствовать в жидкости естественным

образом, как, например, в случае биологических жидкостей.

Эффективность управления процессами разрушения жидкостей с

добавками примесей определяется уровнем понимания

закономерностей разрушения сложных жидкостей. Закономерности

разрушения могут быть установлены путем анализа наиболее простых

гидродинамических ситуаций, таких, как распад импульсной струи

(вытянутой капли), столкновение капли с небольшим препятствием,

столкновение шара с цилиндрической каплей.

Основными объектами исследования в диссертации являются

капли растворов полимеров и поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Использование в названии диссертации широкого термина «сложные

жидкости» оправдано тем, что результаты, полученные для растворов

полимеров и ПАВ, остаются справедливыми, например, для

биологических муцинозных жидкостей, растворов мыла,

фибриллоподобных мицеллярных жидкостей и многих других. То есть

изученные в диссертации жидкости могут рассматриваться как

модельные для широкого класса сложных жидкостей.

Наконец, метание струй и наблюдения за ударным разрушением

капель упругих жидкостей представляют собой экспериментальные

методы исследования реологических свойств жидкостей в

экстремальных условиях, когда жидкость подвергается гигантской

тангенциальной и поверхностной деформации за миллисекунды или

даже за микросекунды. Упругость жидкости, слабая и незаметная при

относительно медленных стандартных реологических исследованиях, в

данной ситуации может проявиться в полной мере. Аналогичное

заключение может быть сделано относительно динамического

поверхностного натяжения. Визуализация движения струй и капель

позволяет восстановить кинематические и динамические параметры

течения, что позволяет проследить влияние свойств жидкости на ее

движение.

Цель работы – установление механизмов потери устойчивости,

деформации и распада на отдельные фрагменты капель жидкости при

динамическом воздействии; выявление роли реологических и

поверхностных особенностей жидкостей, построение теоретических

моделей деформации и разрушения капель.

Направление исследований

1. Поиск гидродинамических ситуаций, включающих разрушение

капель и одновременно допускающих контроль параметров течения

и однозначность интерпретации результатов наблюдений.

Последнее свойство достигается минимизацией числа

определяющих факторов процесса.

2. Развитие методов наблюдений за быстропротекающими процессами

разрушения капель.

3. Экспериментальные наблюдения за разрушением капель различных

жидкостей в выбранных гидродинамических ситуациях.

4. Построение моделей разрушений капель жидкостей с различными

определяющими уравнениями состояний.

5. Оценка параметров моделей путем сопоставления с опытными

данными.

Методы исследований, достоверность и обоснованность

результатов. Основным экспериментальным методом наблюдений

является визуализация процессов разрушения капель при помощи

современных методов высокоскоростной фотографии и видеозаписи.

Чрезвычайно короткие времена экспозиции (30 нс – 1 мкс) и

использование для наблюдений скоростных видеокамер позволяют

наблюдать детали процессов с высоким временным и

пространственным разрешением. Достоверность результатов

подтверждается представлением в диссертации данных прямых

наблюдений за деформирующимися и разрушающимися каплями. В

работе использованы хорошо охарактеризованные образцы жидкостей,

которые являются стандартными модельными системами в подобных

работах. Построение теоретических моделей базируется, как правило,

на интегральных уравнениях сохранения импульса, т.е. исходя из

«первых принципов». Области применения развитых теоретических

моделей строго ограничены представленными в диссертации

оценками. Достоверность результатов косвенно подтверждается

соответствием теоретических предсказаний и данных

экспериментальных наблюдений.

На защиту выносятся

1. Эффект подавления распада импульсной струи при помощи

полимерных добавок и его теоретическое описание.

2. Закономерности деформации капли маловязкой жидкости при

столкновении с твердым препятствием и механизм распада капли.

3. Механизм подавления распада капли при столкновении с

препятствием с помощью полимерных добавок.

4. Механизм распада капли раствора ПАВ при столкновении с

твердым препятствием.

5. Кавитационные эффекты при высокоскоростном столкновении

стального шара с цилиндрической каплей раствора полимера.

Научная новизна

1. Разработаны экспериментальные методы изучения

быстропротекающих процессов разрушения жидкости.

2. Установлена возможность управления распадом импульсной

микроструи при помощи полимерных добавок.

3. Установлена асимптотическая структура течения жидкости при

ударе капли о твердое препятствие и предложен новый

инерционно-капиллярный механизм распада капли при ударе.

4. Дано объяснение эффекта повышения устойчивости капли

жидкости с полимерными добавками при ударе капли о твердое

препятствие.

5. Обнаружено снижение устойчивости капли жидкости с добавками

ПАВ при ударе капли о твердое препятствие.

6. Обнаружено повышение ударной прочности жидкости при помощи

полимерных добавок и выявлено развитие ударной кавитации в

объемах жидкости, достаточно удаленных от зоны удара.

Практическая полезность работы

1. Выявленные в диссертации механизмы разрушения капель

являются основой для создания более адекватных моделей

разрушения жидкостей.

2. Развитые в работе теоретические модели разрушения капель могут

быть использованы для разработки методов управления

деформацией и разрушением капель в конкретных технологических

процессах. В частности, при помощи полимерных добавок удается

повысить устойчивость микроструй в струйных принтерах и тем

самым повысить качество печати, а также сократить потери

химикатов при капельной обработке ими растений и тем самым

повысить экологическую безопасность данной технологии.

3. Реологические и поверхностные характеристики жидкостей,

измеренные в режиме экстремально интенсивного деформирования,

могут быть использованы при построении новых реологических и

поверхностных уравнений состояния жидкостей.

4. Созданные в работе экспериментальные методики могут быть

использованы для реологических и поверхностных испытаний

различных материалов в режиме экстремально интенсивного

деформирования.

5. Обнаруженный эффект упрочнения жидкости с помощью

предварительной ориентации показывает перспективность

использования ориентации макромолекул для создания

сверхпрочных полимерных материалов.

Реализация результатов. Созданные в ходе выполнения работы

методики определения релаксационно-прочностных свойств упругих

жидкостей используются (использовались) для диагностики и лечения

легочных заболеваний в ГНЦ «НИИ пульмонологии Минздрава РФ»

(Санкт-Петербург) и Дальневосточном государственном медицинском

университете (Хабаровск); для исследования гемолиза в

искусственных клапанах сердца в ИПМех РАН и НИИ

трансплантологии и искусственных органов Минздрава РФ (Москва);

для испытаний сложных жидкостей в Институте

элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова РАН (Москва),

ОАО «Пластполимер» (Санкт-Петербург), ХАДИ (Харьков), Chemical

Engineering Department of Cambridge University (Cambridge, UK),

Monash University (Monash, Australia), Massachusetts Institute of

Technology (Cambridge, MA, USA); а также реализованы в серийно

выпускаемом приборе CaBER1 компании HAAKE (Germany-USA-

France-UK).

Согласно литературным данным результаты исследования

возможности управления устойчивостью микроструй в полете при

помощи полимерных добавок используются компаниями –

производителями струйных принтеров для разработки новых

чернильных композиций.

Апробация работы. Результаты по теме диссертации получены в

ходе выполнения исследовательских работ в рамках задания (темы)

«Механика неньютоновских жидкостей и технологических процессов»

(Гос. рег. № 01.200.201415); грантов РФФИ № 93-013-17689, № 99-01-

00474; грантов Международного научного фонда № М69000, М69300;

гранта INTAS № 93-0279; Соглашения о научном сотрудничестве

между ИПМех РАН и Hewlett Packard Laboratories, USA;

сотрудничества с Laboratoire de Physique des Matériaux Divisés et des

Interfaces, UMR8108 du CNRS, Université de Marne-la-Vallée, France.

Ниже представлен список публичных научных мероприятий, на

которых материалы по теме диссертации были доложены: XXIII

Научная конференция МФТИ (Москва - 1977); II и III Всесоюзные

конференции по механике аномальных систем (Баку - 1977, 1982); X,

XI, XII, XIII, XV Всесоюзные симпозиумы по реологии (Пермь - 1978,

Суздаль - 1980, Рига – 1982, Волгоград – 1984, Одесса - 1990); V

Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата

- 1981); Всесоюзная конференция по струйным течениям жидкостей и

газов (Новополоцк - 1982); Семинар «Гидродинамика разбавленных

растворов высокомолекулярных систем» (Москва - 1982); Всесоюзный

семинар «Современные проблемы и математические методы теории

фильтрации» (Москва - 1984); Всесоюзная школа-семинар «Методы

гидрофизических исследований» (Солнечногорск – 1986); Всесоюзный

семинар «Тепломассообмен и гидродинамика тонких струй вязкой

жидкости» (Днепропетровск – 1989); II Всесоюзное совещание по

приборостроению в области коллоидной химии и физико-химической

механики (Яремча – 1990); Всесоюзная конференция с международным

участием «Релаксационные явления и свойства полимерных

материалов» (Воронеж – 1990); Golden Jubilee Meeting of the British

Society of Rheology and Third European Rheology Conference (Edinburgh,

UK – 1990); Eighth International Congress of Biorheology (Yokohama,

Japan – 1992); 3-й, 6-й Национальные конгрессы по болезням органов

дыхания (Санкт-Петербург – 1992, Новосибирск - 1996); XVIII, XXI

International Congresses of Theoretical and Applied Mechanics (Haifa –