Российские ученые исследовали, как происходит процесс испарения на гидрофобных поверхностях так называемых бинарных сидячих капель. Результаты исследования станут основами для технологии эффективного сжигания топлива в камерах сгорания, а также при разработке методов управления адресной доставкой лекарств. Работа опубликована в журнале International Journal of Heat and Mass Transfer, сообщает пресс-служба Томского политехнического университета.
Сидячими каплями называют капли, помещенные на твердую поверхность. «Существует большое количество исследований испарения капель жидкости на твердой поверхности, выполненных учеными из Европы, США, Японии, Китая, России, Индии. Но полного понимания механизмов испарения бинарных жидкостей (состоящих из разных элементов) до сих пор в научной литературе нет. Поэтому важен комплексный подход к этому вопросу от фундаментального эксперимента к апробации его результатов при численном моделировании. Целью нашей работы было разработать новую достоверную модель сопряженного тепломассопереноса и испарения бинарной капли раствора воды и этанола с разной концентрацией последнего при варьировании температуры поверхности», — отметил один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Анастасия Исламова.
Ученые провели эксперименты и исследовали испарение бинарных сидячих капель воды и этанола с концентрацией от 0 до 10% на пластине из алюминиево-магниевого сплава, которую нагревали от 20 до 60°C. Структурированная гидрофобная поверхность пластины была подготовлена с помощью лазерного наносекундного текстурирования.
В результате исследования политехникам удалось установить временную зависимость между диаметром контактной области капли с пластиной, динамическим углом контакта и относительным объемом капли при трех температурах пластины. Кроме того, они выявили три режима испарения капли: растекание (когда диаметр контакта увеличивается со временем), закрепление (когда диаметр колеблется в пределах среднего значения) и смешанный режим (когда диаметр капли уменьшается со временем). Ученые также предложили критерии перехода между этими режимами на основе максимальной амплитуды колебаний в режиме закрепления.
«По результатам экспериментов мы разработали математическую модель прогрева и испарения капли жидкости. Она отличается от уже известных тем, что учитывает конвективный, диффузионный и межфазный перенос, то есть механизмы переноса тепла и массы в жидкости при испарении. Это позволит прогнозировать характеристики прогрева и испарения капель. Данные об этом могут быть необходимы не только для создания технологий эффективного сжигания топлива, но и в медицине при изучении взаимодействия водоспиртовых растворов с биологическими тканями человека или животных, а также разработке методов управления адресной доставкой лекарств в составе водоспиртового раствора», — рассказал один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Дмитрий Антонов.
В дальнейшем исследователи планируют изучить влияние шероховатости поверхности на динамику испарения капель нанолитровых размеров при повышенных температурах.