ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДИНАМИКУ ВОЗДУШНОГО ПУЗЫРЬКА ВБЛИЗИ ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Автор: Василий Андреевич Галишевский
Соавторы: Кучинский М.О., Рыбкин К.А., Любимова Т.П.
Организация: Пермский государственный национально-исследовательский университет
Поведение пузырька вблизи твердых поверхностей, погруженных в жидкость, активно изучается на протяжении последних десятилетий [1]. В зависимости от смачиваемости поверхности различаются и наблюдаемые эффекты, поэтому необходимо осуществлять контроль за количественной характеристикой смачиваемости – контактным углом. Одним из методов управления контактным углом является воздействие ультразвука.
Целью настоящей работы является исследование влияния ультразвука на систему твердая поверхность – жидкость - пузырек воздуха. В качестве твердых поверхностей в экспериментах использовались пластины различной степени смачиваемости (кварц, акрил и тефлон). Характерный размер воздушного пузырька составляет ≈ 1 мм.
В экспериментах использовалась оргстеклянная кювета, имеющая форму параллелепипеда (1); в нижней части кюветы располагался источник ультразвука с частотой 28 кГц (2), в верхней – исследуемые пластины (5). Для регистрации изменения контактного угла использовались SSD камера Basler acA1920-155um (4) и коллимированный источник контрового света Telecentric HP illuminator (3), оснащенный телецентрическими макрообъективами. С использованием высокоскоростной камеры Basler A504kc была проведена серия экспериментов для изучения характеристик колебаний пузырька и их сравнения с теоретическими данными. Полученные в экспериментах фотографии обрабатывались с помощью алгоритма на Python, разработанного на основе тангенциального метода измерения контактного угла.
Найдено, что при воздействии ультразвука на пузырек вблизи твердой пластины из кварца пузырек не закрепляется на поверхности, между ними остается тонкий слой жидкости. Поскольку акустическое давление неоднородно вдоль поверхности пластины, пузырек перемещается в область более низкого акустического давления и осциллирует вблизи этого положения.
В экспериментах с более гидрофобными пластинами из акрила и тефлона пузырек закрепляется на твердой поверхности. Поверхность пузырька в этом случае колеблется с частотой, равной частоте собственных колебаний формы (мода k=2), что согласуется с теоретическим значением (см., например, [2]. Получены зависимости контактного диаметра, углов и высоты пузырька в зависимости от времени ультразвукового воздействия для твердых поверхностей с различной степенью смачиваемости.
Исследование выполнено при поддержке из средств гранта Российского научного фонда (грант № 24-11-00269).
1.Effect of gas input conditions and ultrasound on the dynamic behavior of flotation bubbles / Gao, K., Liu, H., Sun, L., Zhang, Z. // ACS Omega. – Vol. 7, no. 26. – P. 22326–22340.
2.Resonance oscillations of a drop (bubble) in a vibrating fluid / Lyubimov, D.V., Lyubimova, T.P., Cherepanov, A.A // Journal of Fluid Mechanics. – 2021. - Vol. 18. — P. 909.
