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 не — 1 мке) 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 CaBERl 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. per. № 01.200.201415); грантов РФФИ № 93-013-17689, № 99-01-
10
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 Materiaux Divises et des Interfaces, UMR8108 du CNRS, Universite de Marne-la-Vallee, 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 -
11
1992, Warsaw - 2004); Hid International Symposium "Current Problems of Rheology, Biorheology and Biomechanics" (Moscow - 1992); International Conference "Porous Media-92" (Moscow - 1992); Seminars in DAMTP and/or ChED of Cambridge University (Cambridge, UK - 1993, 1996, 2000); Seminars in Hewlett Packard Laboratories (Palo Alto and Corvallis, USA - 1993); Seminar in Stanford University (Stanford, USA - 1993); Fourth European Rheology Conference (Sevilla, Spain - 1994); Euromech, European Mechanics Society, Colloquium 355, Interfacial Instabilities (Paris, France - 1996); ASME Symposium on Rheology & Fluid Mechanics of Nonlinear Materials (Atlanta, USA - 1996); Seminars in Isaac Newton Mathematical Institute and Cavendish Laboratory (Cambridge, UK - 1996); NIP 13, NIP 14: International Conferences on Digital Printing Technologies (Seattle, USA - 1997, Toronto, Canada - 1998); Seminar in Royal Institute of Technology (Stockholm, Sweden - 1997); Выставка РАН «Экология. Здравоохранение» (Москва - 1998); Четвертая всероссийская конференция по биомеханике (Нижний Новгород - 1998); International conference dedicated to Pelageya Yakovlevna Polubarinova-Kochina (1899-1999) "Modern approaches to flow in porous media" (Moscow - 1999); Seminar in Schlumberger company (Cambridge, UK - 2000); Seminar in Universite de Marne-la-Vallee (Marne-la-Vallee, France - 2000); The International TRI/Princeton Workshop "Nanocapillarity: Wetting of heterogeneous Surfaces and Porous Solids" (Princeton, USA - 2001); 2001 AIChE Annual Meeting (Reno, USA - 2001); The Fall 2002 Fiber Society Conference (Natick, USA - 2002); 4th Euromech Nonlinear Oscillations Conference (Moscow - 2002); XXI, XXII Symposiums on Rheology (Ostashkov - 2002, Valday - 2004); Third International Symposium on Contact Angle, Wettability and Adhesion (Providence, Rhode Island, USA -2002); ASME IMECE Microfluids Symposium (New Orleans, USA - 2002); XVI European Chemistry at Interface Conference (Vladimir - 2003);
12
Научный семинар «Актуальные проблемы реологии» (Барнаул - 2003); 9th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (Sorrento, Italy - 2003); ACS Award in Colloid and Surface Chemistry Symposium Honoring Clay Radke. The 225th ACS National Meeting (New Orleans, USA - 2003); EFMC 2003. The 5th Euromech Fluid Mechanics Conference (Toulouse, France - 2003); Секция МЖГ ИПМех РАН; Ученый Совет ИПМех РАН; Семинары лабораторий Термогазодинамики и Прикладной механики сплошных сред ИПМех РАН (1978-2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ.
13 ГЛАВА 1
РАЗРУШЕНИЕ СЛОЖНЫХ ЖИДКОСТЕЙ (ОБЗОР)
Аннотация. Обзор представляет явления гидродинамического разрушения жидких объектов - струй, капель, пленок, нитей, в случаях, когда реологические и поверхностные свойства жидкости не описываются простыми моделями. Причиной разрушения являются капиллярные неустойчивости, столкновения с твердыми препятствиями и другие динамические воздействия. Прослеживается связь свойств жидкостей и особенностей процессов разрушения.
Механическое разрушение обычных жидкостей, таких как, например, вода, достаточно подробно рассмотрено как в специальной литературе [Гонор и Ривкинд (1982), Rein (1993)] так и в популярных изданиях [Гегузин (1977, 1985), Волынский (1986)]. Целью настоящего обзора является представление особенностей разрушения жидкостей, механические свойства которых обладают определенной спецификой.
В обзоре разрушение жидкости рассматривается как динамический процесс, при котором жидкость теряет сплошность. Другими словами, разрушение - это процесс, в ходе которого прежде сплошной объем жидкости разрушается (дробится, распадается, разбрызгивается, диспергируется, распыляется, разлетается, рассеивается брызгами) под действием механических сил на отдельные капли (брызги, фрагменты, осколки, жидкие частицы, мелкодисперсную фазу), либо в этом объеме возникают внутренние каверны (пузыри, полости, пустоты, трещины) [Корнфелъд (1951)].
14
Под сложными жидкостями в обзоре понимаются жидкости, которые в условиях некоторых видов течения демонстрируют гидродинамическое поведение, необъяснимое в рамках ньютоновской модели жидкости и/или рамках предположения о постоянстве поверхностного натяжения жидкости. Рассмотрение ограничено случаями достаточно маловязких жидкостей, как предельными вариантами деформируемых сред, которые допускают накопление значительных деформаций до начала возможного разрушения. Обычно такого рода сложные жидкости создаются в результате добавления в воду (реже в другую ньютоновскую жидкость) разного рода активных примесей (добавок, агентов, присадок). Основными объектами описания в обзоре являются растворы полимеров, в меньшей степени внимание уделено растворам поверхностно-активных веществ (ПАВ). Тем не менее, в обзоре используется термин «сложные жидкости» -более широкий и менее строгий. Использование данного термина оправдано тем, что закономерности разрушения, установленные для растворов полимеров и ПАВ, по-видимому, остаются в определенной степени справедливыми и для более широкого класса жидкостей, включающего в себя биологические муцинозные жидкости [Добрых и др. (1988), Базилевский и др. (1992, 2001а), Волков и др. (2003)], фибриллоподобные (wormlike) мицеллярные системы [Steger and Brunn (1999), Hoyt (1999), Smolka and Belmonte (2003), Cooper-White et al. (2002), Manero et al. (2002)] и другие жидкости. Распространение найденных закономерностей на более широкий класс жидкостей основывается на схожести аномальных гидродинамических эффектов в этих жидкостях, а также определенном подобии их микромолекулярной структуры. Таким образом, предполагается, что растворы полимеров и ПАВ могут рассматриваться как модельные для широкого класса сложных жидкостей.
15
Эффектом добавок при разрушении жидкостей считается существование определенного различия между процессами разрушения в жидкостях с добавками и в чистой воде. Поэтому процессы разрушения в воде рассматриваются как «точка отсчета», и описание процесса разрушения сложных жидкостей начинается сравнением разрушения данной жидкости и воды.
1.1 Механизмы влияния добавок на процессы разрушения жидкостей
Способность малого количества высокомолекулярных полимерных добавок в маловязкие жидкости подавлять (или замедлять) дробление и распыление жидкости (эффект упрочнения) хорошо известна [Ентов иЯрин (1984), Рожков (1984), Bazilevsky et al. (1994)]. Аналогичное замедление капиллярного распада жидкостей наблюдается и в случае добавок ПАВ [Ентов иЯрин (1984)].
Эффекты упрочнения полимерных добавок проявляются в широкой разновидности явлений распада жидкостей, таких как распад низко- и высокоскоростных свободных струй, свободных пленок, жидких нитей, распад объемов жидкости при воздействии высокоскоростного воздушного потока, столкновение жидкого объема с поверхностью твердого тела, кавитационные явления, и т.д. Как правило, жидкости становятся значительно более устойчивыми к действию различных факторов распада. В частности, во многих процессах разрушения жидкость остается сплошной намного дольше, а сформированные новые объекты (капли) оказываются не столь многочисленны и имеют большие размеры по сравнению со случаем жидкости без добавок. Например, свободные пленки обычной жидкости (воды) разрушаются на мелкие капли, которые срываются с краев пленки; в то же время при разрушении свободных пленок
16
полимерных растворов образуются значительно более крупные капли, соединенные между собой капиллярными утончающимися нитями {Рожков (1984)]. При столкновении быстродвижущегося твердого тела с неподвижным жидким объектом полимерный раствор разрушается на достаточно крупные фрагменты, в то время как ньютоновская жидкость той же самой вязкости формирует мелкодисперсную среду [Духовский и др. (1989), Dukhovskii et al. (1990), Духовский и др. (2004)].
Может быть дано следующее качественное объяснение эффекта замедления разрушения полимерных жидкостей. В процессе распада жидкого объекта, то есть его разделения на изолированные капли, жидкость подвергается интенсивной элонгационной деформации в некоторых локальных областях жидкого объекта. Так, например, при отрыве капли от основной массы жидкости формируется утончающийся жидкий мостик, соединяющий каплю с остальной жидкостью [Рожков (1984)]. Утончение мостика эквивалентно растяжению жидкости мостика вдоль его оси. Аналогично, при формировании в сплошной жидкости внутренних разрывов (пузырей) элементы жидкости подвергаются интенсивной деформации растяжения [Духовский и др. (2004), Bazilevsky et al. (1998), Meyer et al. (1999), Базшевский и dp. (2003)].
В то же самое время, одно из наиболее замечательных свойств полимерных жидкостей - это способность накопления гигантских обратимых деформаций и формирования высоких упругих напряжений в интенсивных элонгационных потоках [De Gennes (1974), Hinch (1977), Гросберг и Хохлов (1989)]. Формально это соответствует многократному увеличению элонгационной вязкости. Формирование упругих напряжений обеспечивается гидродинамическим взаимодействием растянутых гибких полимерных молекул в интенсивном элонгационном потоке. При распаде жидкого объекта
17
упругие напряжения препятствуют разделению сплошного жидкого объекта на изолированные части. В рассматриваемом здесь частном примере отрыва капли упругие напряжения в мостике препятствуют или, по крайней мере, замедляют отделение капли, а при образовании каверн в жидкости значительная доля механической энергии идет на упругое деформирование среды, что, в свою очередь, снижает интенсивность формирования каверн.
Механизм действия добавок ПАВ также достаточно прост. В ряде гидродинамических случаев, таких как капиллярный распад струй и нитей, поверхностное натяжение действует как дестабилизирующий фактор и снижение поверхностного натяжения добавками ПАВ уменьшает роль данного дестабилизирующего фактора [Ентов и Ярин (1984)]. С другой стороны, имеются ситуации, как, например, дробление капли в аэродинамическом потоке, когда поверхностное натяжение выступает как стабилизирующий фактор и эффект добавок ПАВ может быть противоположным.
Описанные механизмы ответственны за эффекты модификации разрушения, как в регулярных процессах распада, так и в нерегулярных. Первый тип процессов может характеризоваться присутствием одной или нескольких основных мод неустойчивости. В результате продукты распада имеют одни или несколько характерных размеров. С другой стороны, нерегулярный распад характеризуется непрерывным спектром мод неустойчивости, нерегулярной хаотической деформацией жидкости [Султанов и Ярин (1990)]. Продукты распада имеют непрерывное распределение частиц по размерам. Конечно, реальные процессы имеют особенности обоих типов, и указанное разделение достаточно условно.
К регулярному типу распада могут быть отнесены упомянутый выше случай распада свободной пленки, распад непрерывных и |
