Компьютерное моделирование динамики вихревых структур в испаряющейся капле

5 сентября 2018 года в МИЭМ НИУ ВШЭ прошел первый в этом учебном году научно-исследовательский семинар «Суперкомпьютерное моделирование в науке и инженерии, или Вычислительные среды». Докладчик Лев Юрьевич Бараш, к. ф.-м. н., доцент МИЭМ НИУ ВШЭ, научный cотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау, рассказал о явлениях, происходящих при испарении капель жидкостей и коллоидных растворов.

Исследование испаряющихся капель жидкостей и коллоидных растворов важно для ряда приложений. Понимание этих явлений необходимо, например, при изготовлении наноматериалов, проведении биохимических исследований биологических жидкостей, в методах кристаллографии протеинов, в струйной печати, и ряде других направлений. Особый интерес представляет исследование образования наноструктур при испарении капель, содержащих коллоидный раствор наночастиц. 

В докладе представлен развитый подход к компьютерному моделированию динамики вихревых структур в испаряющейся капле вследствие действия сил Марангони на поверхности капли, и к описанию процесса испарения, который позволяет совместно учесть гидродинамические движения в испаряющейся капле, неоднородное распределение температур, а также диффузию пара в воздухе и динамику формы поверхности капли. 

Найдены несколько стадий динамики конвекции Бенарда-Марангони, характеризующихся числом вихрей в капле и их пространственным расположением в ней. На ранней стадии образуется дорожка приповерхностных вихрей, которая индуцирует немонотонное пространственное распределение температуры вдоль поверхности капли. Также, проведен учет отклонения формы лежащей капли от сферической формы, а также нестационарных эффектов в диффузии пара. Проведено сравнение компьютерного моделирования с рядом экспериментальных измерений. 

Показано, что конвекция Марангони, индуцируемая неоднородным распределением температуры в капле и в подложке, может привести к разному количеству, ориентации и пространственному положению вихрей в капле, в зависимости от теплопроводности и от толщины подложки, от контактного угла, а также от параметров жидкости. Представлена и проанализирована «фазовая диаграмма» на плоскости контактный угол – отношение теплопроводностей подложки и жидкости, содержащая информацию о количестве, ориентации и пространственном положении вихрей. Полученные результаты показывают, что конвекция жидкости в испаряющейся капле может контролироваться при помощи выбора подложки с подходящими свойствами.

Желающим подробнее ознакомиться со слайдами прошедшего семинара, а также узнать темы будущих и предыдущих докладов, приглашаем посетить страницу семинара.