Новости

Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Института теплофизики СО РАН разработали физико-математическую модель, которая позволяет рассчитать длину скольжения капель воды при их соударении с наклонной водоотталкивающей поверхностью. 

 

Накопление льда на поверхности лопастей ветровых турбин и крыльев самолетов снижает аэродинамическую эффективность. Одним из способов предотвращения обледенения деталей самолетов является придание их поверхности супергидрофобности.

 

Супергидрофобными называют поверхности твердых материалов, при контакте с которыми капли воды принимают шарообразную форму и склонны к отскоку от объекта. Водоотталкивающий эффект достигается за счет микро- и наношероховатостей, а также нанесения различных химических составов.

 

Разработанный подход имеет практическое значение для технологий производства и эксплуатации самоочищающихся, противообледенительных, противообрастающих и водоотталкивающих покрытий для различных отраслей промышленности, например, для самолетостроения, ветроэнергетики и строительства скоростных поездов.

 

«С точки зрения физики наш метод представляет из себя механистическое описание вовлеченных процессов и определение влияющих факторов, а связанная с ней математическая часть представляет набор алгебраических выражений, математических предположений и упрощений, характеризующихся новизной», — рассказывает соавтор исследования, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Максим Пискунов.

 

Для разработки модели физики использовали четыре пластины из титана с поверхностью, которую микротекстурировали лазером и покрыли фторполимерным составом. Далее ученые фиксировали поведение капель воды при столкновении с поверхностью.

 

«Для достижения супергидрофобных свойств были разработаны различные паттерны текстурирования поверхности. Корректная характеристика свойств и параметров поверхностей и ее интерпретация в ходе совместных плодотворных обсуждений играла важную роль при разработке модели течения жидкости», — отметил соавтор исследования, старший научный сотрудник ИТ СО РАН Иван Вожаков.

 

В своем исследовании физики предложили уникальный подход к моделированию максимального диаметра растекания капель воды, учитывающий проникновение жидкости в микроразмерные неоднородности текстур поверхности. Кроме того, ученые доказали, что физико-математическая модель позволяет использовать прогнозные значения максимального диаметра растекания при моделировании скольжения капли до отскока. Погрешность расчетов составляет допустимые 10-20%.

 

«На данный момент модель учитывает определенный широкий набор влияющих факторов, с учетом этих факторов и установленных границ применимости модель надежно прогнозирует поведение капли при соударении с наклонной водоотталкивающей стенкой. Добавление дополнительных факторов, которые действительно могут внести свой вклад в течение жидкости, следует учесть отдельно. Например, разный размер капель воды и материал покрытия учтен в модели, а вот вклад температуры поверхности в течение жидкости может быть критическим, изменяя прогнозы модели. Установление вклада температуры является темой нашего текущего исследования», — отметил Максим Пискунов.

 

На сегодняшний день ученые работают над физико-математической моделью, которая могла бы учитывать еще больше факторов, влияющих на прогноз поведения капель жидкости. Например, была увеличена скорость соударения капель воды с водоотталкивающей поверхностью до 20 м/с с использованием разработанной аэрогидродинамической трубы открытого типа, имитируя реальные сценарии соударения капель с функциональными конструкциями — попадание осадков на лопасти ветряков, элементы летательных аппаратов и так далее. Новое исследование также учитывает естественные температурные режимы, исследователи начали охлаждать поверхность соударения и дозируемую воду до низких температур, как это происходит в природе.

 

В исследованиях принимали участие сотрудники и учащиеся Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ, Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН и Новосибирского государственного университета. Исследование поддержано грантом РНФ.

 

Источник: пресс-служба Томского политехнического университета

Читайте также:

Тэги: технологии безопасность