Результаты исследования ученых опубликованы в журнале Experimental Thermal and Fluid Science (Q1, IF: 3,3).
При высокоскоростном ударении капли воды о поверхность она разлетается в виде короны и множества мелких капель. Этот процесс влияет на эрозию материалов, эффективность теплообмена и удаление капель воды с поверхности. Однако показатели скоростей и размеров самих капель, которые встречаются при столкновении с поверхностями в реальных условиях, редко становились предметом исследования.
Ученые ТПУ совместно с коллегами провели серию экспериментов с титановыми пластинами с фторполимерным покрытием и различным уровнем шероховатости, полученной с помощью лазерной обработки. Об них политехники с высокой скоростью (от 5 до 20 м/с) ударяли капли воды диаметром от 0,5 до 1,3 мм.
Ученые установили, что идеальная корона у капель формируется при угле соприкосновения с текстурированной поверхностью от 74 до 164 градусов и при числе Вебера (отношение инерции жидкости к поверхностному натяжению – прим.) от 450 до 2 800. Увеличение этих параметров усиливает инерционные эффекты в короне капли: чем выше число Вебера, тем энергичнее формируется и распадается корона у капель."Мы установили, что микро- и наноструктура поверхности влияет на симметрию короны капель и скорость разбрызгивания. Так, на микротекстурированных поверхностях корона капель будет симметричной и устойчивой, а на шероховатых необработанных – асимметричной. При этом удаление жидкости во время распада короны может замедляться в зависимости от уровня шероховатости. Понимание этих процессов позволит выбрать оптимальные характеристики поверхностей, обеспечивающие и водоотталкивающую, и противообледенительную способности,
— отмечает один из авторов исследования, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ Максим Пискунов.
На основании экспериментальных данных ученые вывели эмпирическую модель, которая позволяет предсказать, как сильно будет развиваться корона у капель и ее диаметр в момент распада. Модель политехников учитывает влияние инерции капель и адгезию поверхности. Апробация показала, что модель способна предсказывает диаметр короны в пределах 20 % для капель воды и этанола в пределах заявленных показателей.
«Слабый удар капли о поверхность приводит к менее выраженной короне и почти отсутствию брызг, однако это не гарантирует более широкую зону смачивания: при невысокой скорости капля хуже распространяется по материалу. То, как долго вода задержится, определяется прежде всего не степенью шероховатости, а водоотталкивающими свойствами и правильно подобранной микро- и нанотекстурой покрытия. Правильная текстура помогает быстрее сбрасывать воду и лед. Поверхности с высоким сцеплением, напротив, удерживают влагу дольше», — добавляет ассистент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Никита Хомутов.
В исследовании приняли участие ученые Инженерной школы энергетики, Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ и Института теплофизики СО РАН.