SUBMERGING AND FLOATING-UP VORTICES IN THE PICTURE OF SMOOTH INFLOW OF A FREE-FALLING ETHANOL DROP INTO WATER

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

The comparative videorecording of the coalescence pictures of free falling drops of 0.01% water solution of potassium permanganate and 95% ethanol solution of smaller density is performed. The kinetic energy of both fluids is smaller than the potential surface energy. The drop of the solution, whose density is greater than that of the receiving fluid, flows smoothly into the fluid thickness, while a cavity is formed with retardation. The submerging intrusion transforms into an annular vortex, which is pushed by a growing cavity. The ethanol drop also flows into the fluid thickness but forms a floating-up intrusion, which distorts the shape of the retarding cavity. When the conical cavity stops to sharpen and attains a maximum depth, a small vortex, which contains the light fluid, is thrown into the fluid thickness. The dimensions of the vortex forming the secondary intrusion remain almost the same during the motion. The light vortex stops gradually and forms the secondary intrusion. The central region of the secondary intrusion floats up and transforms into a vortex ring. The dimensions of the buoyancy-driven floating-up vortex increase with time. The time dependences of the dimensions of the basic structural components are presented.

Авторлар туралы

Yu. Chashechkin

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics

Email: chakin@ipmnet.ru
Moscow, Russia

A. Il’inykh

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics

Email: ilynykh@ipmnet.ru
Moscow, Russia

Әдебиет тізімі

  1. Rogers W.B. On the formation of rotating rings by air and liquids under certain conditions of discharge // Amer. J. Sci., Second Ser. 1858. V 26. P 246—258. https://biodiversitylibrary.org/page/36868460
  2. Thomson J.J., Newall H.F. On the formation of vortex rings by drops falling into liquids, and some allied phenomena // Proc. R. Soc. London. 1885. V 29. P 417-436. https://doi.org/10.1098/rspl.1885.0034
  3. Thompson D. W. On Growth and Form. Cambridge University Press. Cambridge. UK. 1917. 793 p.
  4. Edgerton H.E., Killian Jr. J.R. Flash. Hale, Cushman and Flint: Boston, USA, 1939. 203 p.
  5. Thoroddse, S.T.; Etoh T.G.; Takehara K. High-speed imaging of drops and bubbles // Ann. Rev. of Fluid Mech. 2008, 40(1), 257-285. doi: 10.1146/annurev.fluid.40.111406.102215.
  6. Versluis M. High-speed imaging in fluids // Exp. Fluids. 2013. V.54(2). P. 1-35.
  7. Okabe J., Inoue S. The Generation of Vortex Ring. Kyushu Univ., Rep. Res. Inst. Appl. Mech. 1960, 8(32), 91-101.
  8. Okabe J.; Inoue S. The generation of vortex rings, II. Rep. Res. Inst. Appl. Mech., Kyushu Universit. 1961, V. 9. P. 147-161
  9. Batchelor G. K. An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge University Press. Cambridge UK. 1967. 615 p.
  10. Chapman D., Critchlow P. Formation of vortex rings from falling drops // J. of Fluid Mech. 1967. V. 29(1). P. 177-185.
  11. Brutin D. Drop impingement on a deep liquid surface: study ofa crater’s sinking dynamics. C. R. Mecanique. 2003. V. 331. P. 61-66. doi: 10.1016/S1631-0721(02)00014-1
  12. Gao T.-C., Chen R.-H., Pu J.-Y., Lin T.-H. Collision between an ethanol drop and a water drop // Experiments in Fluids. 2005. V. 38. P. 731-738 doi: 10.1007/s00348-005-0952-1.
  13. Wal R.L.V., Berger G.M., Mozes S.D. The splash/non-splash boundary upon a dry surface and thin fluid film // Experiments in Fluids. 2006. V.40. P. 53-59. doi: 10.1007/s00348-005-0045-1
  14. Zen T.-S., Chou F.-C., Ma J.-L. Ethanol drop impact on an inclined moving surface // ICHMT. 2010. V. 37. P. 1025-1030. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2010.05.003.
  15. Bouchard D. J., Andredaki M., Georgoulas A., Marengo M., Chandra S. Penetration characteristics of a liquid droplet impacting on a narrow gap: Experimental and numerical analysis // Phys. Fluids. 2022. V. 34, 057111; https://doi.org/10.1063/5.0091045
  16. Thoraval M.-J., Takehara K., Etoh T. G., Thoroddsen S.T. Drop impact entrapment of bubble rings //J. Fluid Mech. 2013. V. 724. P. 234-258. doi: 10.1017/jfm.2013.147
  17. Liang G., Mudawar I. Review of mass and momentum interactions during drop impact on a liquid film // Int. J. Heat Mass Transf. 2016. V.101. P. 577-599. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.05.062
  18. Kirar P.K., Alvarenga K., Kolhe P., Sahu K.C. Coalescence of drops on the free-surface f a liquid pool at elevated temperatures // Phys. Fluids. 2020. V. 32, 052103. doi: 10.1063/5.0007402
  19. Rodriguez F., Mesler R. The penetration of drop-formed vortex rings into pools of liquid // J. of Colloid and Interface Sc. 1988. V. 121(1). P. 121-129
  20. Durst F. Penetration length and diameter development of vortex rings generated by impacting water drops // Experiments in Fl. 1996. V. 21. P. 110-117
  21. Dooley B., Warncke A., Gharib M. et al. Vortex ring generation due to the coalescence of a water drop at a free surface // Experiments in Fl. 1997. V. 22. P. 369-374
  22. Peck B., Sigurdson L., Faulkner B., Buttar I. An apparatus to study drop-formed vortex rings // Meas. Sci. Technol. 1995. V 6(10). P 1538-1545
  23. Peck B., Sigurdson L. The three-dimensional vortex structure of an impacting water drop // Phys. of Fluids. 1994. V. 6(2). P. 564-576
  24. Sigurdson L. Atom bomb/water drop (P. 78). In: Samimy M., Breuer K. S., Leal L.G., Steen P. H. A Gallery of Fluid Motion. Cambridge University Press. Cambridge, UK. 2003. 128 p.
  25. Lee J.S., Park S.J., Lee J.H., Weon B.M., Fezzaa K., Je J.H. Origin and dynamics of vortex rings in drop splashing // Nature Commun. 2015. V. 6(1). doi: 10.1038/ncomms9187
  26. Saha A., Wei Y., Tang X., Law C. K. Kinematics of vortex ring generated by a drop upon impacting a liquid pool // J. of Fluid Mech. 2019. V. 875, P. 842-853. doi: 10.1017/jfm.2019.503
  27. Meleshko V., Aref H. A bibliography of vortex dynamics 1858-1956 // Advances in Applied Mechanics. 2007. V. 41. P. 197-292. doi: 10.1016/s0065-2156(07)41003-1.
  28. Fukumoto Y., Moffatt H.K. Motion and expansion of a viscous vortex ring. Part 1. A higher-order asymptotic formula for the velocity // J. Fluid Mech. 2000. V. 417. P. 1-45. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112000008995.
  29. Turner, J. S. Buoyant Vortex Rings. Proceedings of the Royal Society A. 1957. V. 239(1216). P. 61-75. doi: 10.1098/rspa.1957.0022
  30. Turner, J. S. Buoyancy effects in fluids. 1980. Cambridge University Press. Cambidge. UK. 412 p.
  31. Степанова Е.В., Чашечкин Ю.Д. Перенос маркера в составном вихре // МЖГ. 2010. №6. С. 12-29 Stepanova E. V., Chashechkin Yu. D., Marker transport in a composite vortex // Fluid Dyn. 2010. V. 45 (6). P. 843-858. doi: 10.1134/S0015462810060025
  32. Чашечкин Ю. Д. Перенос вещества окрашенной капли в слое жидкости с бегущими плоскими гравитационно-капиллярными волнами // Известия РАН. ФАО. 2022. Т. 58, № 2. С. 218-229. doi: 10.31857/S0002351522020031 Chashechkin Yu. D. Transfer of the substance of a colored drop in a liquid layer with travelling plane gravity-capillary waves // Izvestiya, AOP. 2022. V. 58 (2). P. 188-197. doi: 10.1134/S0001433822020037
  33. Chashechkin Yu. D., Ilinykh A. Y. Intrusive and impact modes of a falling drop coalescence with a target fluid at rest // Axioms. 2023. V. 12 (4). P. 374. doi: 10.3390/axioms12040374
  34. Zhang Y., Mu Z., Wei Y., Jamil H., Yang Y. Evolution of the heavy impacting droplet: Via a vortex ring to a bifurcation flower // Phys. of Fluids. 2021. V. 33. P. 113603. https://doi.org/10.1063/5.0064072
  35. Чашечкин Ю. Д., Ильиных А. Ю. Задержка формирования каверны в интрузивном режиме слияния свободно падающей капли с принимающей жидкостью // Доклады РАН. 2021. Т. 496 (1). С. 45-50. doi: 10.31857/s268674002101003x Chashechkin Yu. D., Ilinykh A. Y. The delay in cavity formation in the intrusive coalescence of a freely falling drop with a target fluid // Doklady Physics. 2021. V. 66 (1). P. 20-25. doi: 10.1134/S102833582101002X
  36. Thomson W., Tait P.G. A Treatise on Natural Philosophy. Clarendon Press, Oxford, UK. 1867. 727 p.
  37. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука. 1986. 736 с. Landau L.D., Lifshitz E.M. Fluid Mechanics. V. 6. Course of Theoretical Physics, Pergamon Press: Oxford, UK, 1987; 560 p.
  38. Feistel R. Thermodynamic properties of seawater, ice and humid air: TEOS-10, before and beyond // Ocean Sciences. 2018. V. 14. P. 471-502. https://doi.org/10.5194/os-14-471-2018
  39. Harvey A. H., Hruby J., Meier K. Improved and always improving: reference formulations for thermophysical properties of water // J. of Phys. and Chem. Ref. Data. 2023. V. 52. P. 011501. doi: 10.1063/5.0125524.
  40. Eisenberg D., Kauzmann W. The Structure and Properties of Water (Oxford Classic Texts in the Physical Sciences). Oxford University Press: Oxford, UK.2005. 308p.
  41. Teschke O., de Souza E.F. Water molecule clusters measured at water/air interfaces using atomic force microscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2005. V. 7(22). P. 3856-3865. DOI: https://doi.org/10.1039/B511257E
  42. Bunkin N.F., Suyazov N.V., Shkirin A.V., Ignat’ev P.S., Indukaev K.V. Study of Nanostructure of highly purified water by measuring scattering matrix elements of laser radiation // Phys. Wave Phenom. 2008. V. 16. P. 243-260. doi: 10.3103/S1541308X08040018
  43. Malenkov G. G. Structure and dynamics of surfaces of thin films and water microdroplets // Colloid Jour. 2010. V. 72(5). P. 649-659. doi: 10.1134/S1061933X1005011X.
  44. Chashechkin Y.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axioms. 2021. V. 10(4). P. 286. https://doi.org/10.3390/axioms10040286
  45. Naifeh A. Introduction to Perturbation Methods. New York. Wiley-VCH. 1981. Найфэ А. Введение в методы возмущений. М.: Мир. 1984. 532 с.
  46. Chashechkin Yu.D. Conventional partial and new complete solutions of the fundamental equations of fluid mechanics in the problem of periodic internal waves with accompanying ligaments generation // Mathematics. 2021. V. 9(6). P. 586. https://doi.org/10.3390/math9060586.
  47. Chashechkin Y.D., Ochirov A.A. Periodic flows in a viscous stratified fluid in a homogeneous gravitational field // Mathematics. 2023. V. 11. P. 4443. https://doi.org/10.3390/math11214443
  48. Li E.Q., Thoraval M.-J., Marston J.O., Thoroddsen S.T. Early azimuthal instability during drop impact // J. Fluid Mech.. 2018. V.848. P. 821-835. doi: 10.1017/jfm.2018.383
  49. Chashechkin Yu.D., Ilinykh A.Yu. Fine Flow Structure at the Miscible Fluids Contact Domain Boundary in the Impact Mode of Free-Falling Drop Coalescence // Fluids. 2023. 8(10). P. 269. https://doi.org/10.3390/fluids8100269.
  50. УИУ “ГФК ИПМех РАН”: Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере. Сайт: http://www.ipmnet.ru/uniqequip/gfk/#equip.
  51. Rayleigh L. Some applications of photography //Nature. 1891. V 44. P. 249—254.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

© Russian Academy of Sciences, 2024

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».