Modeling of an axisymmetric shape of an equilibrium drop resting on a horizontal plane

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The problem of calculating the equilibrium axisymmetric shape of a liquid drop resting on a non-deformable horizontal plane is formulated. For the first time, an equation for the balance of forces acting on a drop in the vertical direction has been obtained, which completes the formulation of the problem under consideration. A high-precision numerical method for solving the formulated nonlinear problem has been developed. The dependence of the wetting angles of drops on variation of the input data of the problem: the chemical composition of the drop, gas pressure, and the strength of additional weak interaction (for example, van der Waals or electrochemical origin) is studied. For drops of small diameters, the possibility of the existence of two solutions is shown, which correspond to significantly different contact angles: in the first solution, the contact angles are less than 90°, and in the second, they are greater than 90°, reaching values of 160° and more. The existence of two equilibrium forms of a small-diameter drop is confirmed by full-scale experiments. Equilibrium forms of droplets of large diameters can exist only in the presence of an additional weak repulsive force between the liquid and the supporting surface, having an intensity of the order of 10–7…10–5 Pa. In this case, for drops of large diameters, there is only one solution.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. P. Yankovskii

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics of the SB RAS

Author for correspondence.
Email: yankovsky_ap@itam.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk

References

  1. Voitik O.L., Delendik K.I., Kolyago N.V., Roshchin L.Yu. Factors influencing the wetting characteristics of parts of the steam chamber // J. of Engng. Phys.&Thermophys., 2020, vol. 93, no. 5, pp. 1126–1133. (in Russian)
  2. Matyukhin S.I., Frolenkov K.Yu. Shape of liquid drops placed on a solid horizontal surface // Condensed Matter&Interphase Boundaries, 2013, vol. 15, no. 3, pp. 292–304. (in Russian)
  3. Marchuk I.V., Cheverda V.V., Strizhak P.A., Kabov O.A. Determination of surface tension and contact angle by the axisymmetric bubble and droplet shape analysis // Thermophys. & Aeromech., 2015, vol. 22, no. 3, pp. 297–303.
  4. Bai M., Kazi H., Zhang X., Liu J., Hussain T. Robust hydrophobic surfaces from suspension HVOF thermal sprayed rare-earth oxide ceramics coatings // Article in Sci. Rep., 2018, vol. 8, no. 1, pp. 6973-1–6973-8.
  5. Xu P., Coyle T.W., Pershin L., Mostaghimi J. Fabrication of superhydrophobic ceramic coatings via solution precursor plasma spray under atmospheric and low-pressure conditions // J. Therm. Spray Tech., 2019, vol. 28, pp. 242–254.
  6. Gulyaev I.P., Kuzmin V.I., Kovalev O.B. Highly hydrophobic ceramic coatings produced by plasma spraying of powder materials // Thermophys.&Aeromech., 2020, vol. 27, no. 4, pp. 585–594.
  7. Contact Angle, Wettability, and Adhesion / ed. by Gould R.F. Washington: Amer. Chem. Soc. Advances in Chem. Ser., 1964.
  8. Finn R. Equilibrium Capillary Surfaces. N.Y.: Springer, 1986 p.
  9. Rusakov A.I., Prokhorov V.A. Interfacial Tensometry. St. Petersburg: Chemistry, 1994. 398 p. (in Russian)
  10. Saranin V.A. Equilibrium of Liquids and Its Stability. Simple Theory and Accessible Experiments. Moscow: Inst. for Comput. Res., 2002. pp. 73–76. (in Russian)
  11. De Gennes P.G., Brochard-Wyart F., Quere D. Capillarity and Wetting Phenomena. Berlin: Springer, 2004.
  12. Kupershtokh A.L., Lazebryi D.B. Contact angles in the presence of an electrical field // J. of Phys.: Conf. Ser., 2020, 1675, 012106, pp. 1–6. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1675/1/012106
  13. Del Rio O.I., Neumann A.W. Axisymmetric drop shape analysis: computational methods for the measurement of interfacial properties from the shape and dimensions of pendant and sessile drops // J. of Colloid&Interface Sci., 1997, vol. 196, no. 2, pp. 136–147.
  14. Zholob S.A., Makievski A.V., Miller R., Fainerman V.B. Optimization of calculation methods for determination of surface tensions by drop profile analysis tensiometry // Advances in Colloid&Interface Sci., 2007, no. 134, 135, pp. 322–329.
  15. Carmo M.P. Differential Geometry of Curves and Surfaces. New Jersey: Prentice-Hall Inc., 1976.
  16. Novozhilov V.V. Theory of Thin Shells. St. Petersburg.: St. Petersburg Univ. Pyb., 2010. 380 p. (in Russian)
  17. Vlasov V.Z., Leontiev N.N. Beams, Slabs and Shells on an Elastic Base. Moscow: Fizmatgiz, 1960. 491 p. (in Russian)
  18. Nowacki W. Teoria sprężystości. Warszawa: PAN, 1970.
  19. Hall G., Watt J.M. Modern Numerical Methods for Ordinary Differential Equations. Oxford: Clarendon, 1976.
  20. Dekker K., Verwer J.G. Stability of Runge–Kutta Methods for Stiff Nonlinear Differential Equation. Amsterdam: North-Holland, 1984. 308 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Meridional cross-section of an equilibrium axisymmetric droplet resting on a horizontal non-deformable substrate

Download (116KB)
3. Fig. 2. The edge point and its vicinity in a drop and substrate (a), only in a drop (b) and only in the substrate (c) with an indication of the system of forces applied to this point

Download (125KB)
4. Fig. 3. The shape of the drop meridian and its geometric characteristics

Download (84KB)
5. Fig. 4. Meridional cross-section of a drop with a contact angle of less than 90° and the system of forces applied to it

Download (108KB)
6. Fig. 5. Profile of a drop with a contact angle greater than 90° (a) and the lower part of this drop after applying the section method (b) indicating the system of forces applied to it

Download (89KB)
7. Fig. 6. Dependence of the residual in the force balance equation (2.20) on the magnitude of excess pressure at the top of a water drop: a) for drops with a standard diameter of 1 and 2 mm; b) for drops with a standard diameter of 3 and 3.894 mm.

Download (120KB)
8. Fig. 7. Calculated meridional cross-sections of water droplets of different standard diameters: a) first type of solution; b) second type of solution

Download (168KB)
9. Fig. 8. Calculated meridional cross-sections of ethyl alcohol droplets of different standard diameters: a) first type of solution; b) second type of solution

Download (108KB)
10. Fig. 9. Two equilibrium shapes of water droplets of the same reference diameter, resting on a polycarbonate substrate

Download (72KB)
11. Fig. 10. Calculated meridional cross-sections of water droplets with a standard diameter in the presence of additional interaction between the liquid and the substrate

Download (108KB)
12. Fig. 11. Calculated meridional cross-sections of water droplets of large standard diameters

Download (47KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».