Ученые Томского политехнического университета провели комплексное исследование, чтобы определить, как скорость и характер удара капли о микротекстурированную поверхность влияют на формирование короны — эффектного разлета жидкости в виде венца с множеством брызг. Об этом сообщает пресс-служба Минобрнауки. Это явление не только зрелищно, но и имеет огромное практическое значение, поскольку напрямую влияет на эрозию материалов, эффективность теплообмена и удаление влаги. Результаты этой работы станут основой для разработки передовой водоотталкивающей защиты для лопастей турбин и систем противообледенения самолетов.
В ходе серии экспериментов исследователи использовали титановые пластины с фторполимерным покрытием, чья шероховатость была модифицирована с помощью лазера. На эти поверхности с высокой скоростью, достигающей 20 метров в секунду, воздействовали каплями воды разного диаметра.
Симметрия и скорость распада капельной короны напрямую зависят от микро- и наноструктуры поверхности. Гладкие микротекстурированные поверхности обеспечивают симметричную и устойчивую корону, тогда как шероховатые приводят к ее асимметрии и замедленному оттоку жидкости. Это знание открывает путь к созданию оптимальных покрытий, сочетающих водоотталкивающие и противообледенительные свойства.
Было установлено, что идеальная корона формируется в строго определенном диапазоне условий: при угле контакта от 74 до 164 градусов и числе Вебера, характеризующем соотношение сил инерции и поверхностного натяжения, от 450 до 2800. Превышение этих параметров усиливает инерционные эффекты, делая формирование и последующий распад короны более интенсивным.
На основе полученных экспериментальных данных ученые разработали эмпирическую модель, которая с высокой точностью предсказывает степень развития короны и ее диаметр в момент распада. Эта модель, учитывающая инерцию капель и адгезионные свойства поверхности, уже прошла успешную апробацию.
Как добавляет ассистент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Никита Хомутов, слабый удар капли приводит к менее выраженной короне и минимальным брызгам, но это не означает, что смачивание поверхности будет меньшим. Напротив, при низкой скорости капля хуже растекается. Ключевым фактором, определяющим время удержания влаги, являются не столько шероховатость, сколько водоотталкивающие свойства и правильно подобранная микро- и нанотекстура покрытия. Именно корректная текстура способствует быстрому сбросу воды и льда, тогда как поверхности с высоким сцеплением удерживают влагу значительно дольше. Это открытие позволяет целенаправленно создавать материалы с заданными свойствами для конкретных инженерных задач.
Ранее ученые рассказали, что такое поверхностное натяжение и как оно управляет поведением жидкости
