Исследование процесса испарения на гидрофобных поверхностях так называемых бинарных сидячих капель, результаты которого лягут в том числе в основу разработок технологии эффективного сжигания топлива в камерах сгорания и методов управления адресной доставкой лекарств, провели ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политехнического университета (ТПУ), 1 августа сообщает пресс-служба вуза.

Результаты работы ученые представили в статье «Сопряженный тепломассоперенос в бинарной неподвижной капле на гидрофобной пластине: влияние температуры пластины и компонентного состава», опубликованной в International Journal of Heat and Mass Transfer (Q1, IF: 5.0).

«Сидячими каплями» называют капли жидкости, помещенные на твердую поверхность. Бинарными называются жидкости, содержащие два химических вещества, смешивание которых придает жидкости новые свойства.

Один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Анастасия Исламова пояснила, что при существующем большом количестве исследований испарения капель жидкости на твердой поверхности, выполненных учеными со всего мира, нет полного научного понимания механизмов испарения бинарных жидкостей.

«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», — указала соавтор статьи.

В ходе исследования учеными ТПУ были проведены эксперименты по испарению бинарных сидячих капель воды и этанола для концентраций последнего от 0 до 10% на пластине из алюминиево-магниевого сплава АМг6, нагреваемую в пределах от 20 до 60 ℃. Поверхность этой супергидрофобной пластины была текстурирована с помощью наносекундной лазерной обработки.

Томские политехники установили временную зависимость между диаметром контактной области капли с пластиной, динамическим углом контакта и относительным объемом капли при трех температурах нагрева пластины.

Были также выявлены три режима испарения капли: растекание, характеризующееся увеличением диаметра контакта капли с пластиной со временем; закрепление, когда этот диаметр колеблется в пределах среднего значения и смешанный режим, при котором диаметр капли со временем уменьшается. Исследователями в статье были предложены 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», — указал один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Дмитрий Антонов.

Ученый пояснил, что полученные с помощью их модели данные могут помочь не только для разработки технологий эффективного сжигания топлива, но и в медицинских исследованиях при изучении взаимодействия водоспиртовых растворов с биологическими тканями человека или животных и при разработке методов управления адресной доставкой лекарств на основе водоспиртового раствора

Ученые ТПУ намерены продолжить исследования в этой обрасти и изучить влияние шероховатости поверхности на динамику испарения капель нанолитровых размеров при повышенных температурах.