О частоте собственных неосесимметричных колебаний капли жидкости на подложке Текст научной статьи по специальности «Физика»

62

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. лобачевского, 2014, № 4 (1), с. 62-65

РАДИОФИЗИКА

УДК 532.6

О ЧАСТОТЕ СОБСТВЕННЫХ НЕОСЕСИММЕТРИЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ КАПЛИ ЖИДКОСТИ НА ПОДЛОЖКЕ

© 2014 г. Ю.М. Заславский

Институт прикладной физики РАН, Н. Новгород

zaslav@hydro.appl.sci-nnov.ru

Поступила в редакцию 28.03.2014

Теоретически исследованы собственные неосесимметричные колебания капли жидкости, находящейся в поле гравитации и лежащей на твердой ровной смачиваемой подложке. На основе выведенной формулы для частоты собственных колебаний капли вдоль подложки в виде нижайшей неосесиммет-ричной моды проанализирована ее зависимость от радиуса кривизны капли, от контактного угла и коэффициента поверхностного натяжения.

Ключевые оловн: капля, жидкость, смачивание, верхностное натяжение, собственные колебания.

Введение

Анализ различных видов колебаний капли жидкости, лежащей на жесткой смачиваемой подложке, в последнее время стал весьма актуальным [1-4]. Значения резонансных частот разных колебательных мод, наблюдаемых в экспериментах, составляют исходные данные для определения параметров смачивания [5-10]. В настоящей работе рассматриваются свободные неосесимметричные собственные колебания капли жидкости (возвратно-поступательные, параллельные подложке) и целью анализа является оценка их частоты в зависимости от геометрических размеров и физических параметров смачивания.

Исходные предположения

Далее полагаем, что форма жидкой капли на горизонтальной идеально ровной смачиваемой подложке в присутствии силы тяжести в условиях статического равновесия представляет собой осесимметричную фигуру, близкую к усеченной сфере [1-3, 6,7] (рис. 1). Рассматривая форму капли как сферический сегмент, можно выразить высоту h и радиус растекания капли R через радиус кривизны R0 и контактный угол у: h = R0(1 - cos у), R = R0 sin у , причем профиль вертикального сечения капли (граница жидкость - пар) описывается соотношениями:

подложка, контактный угол, радиус кривизны, по-

r = R0 sin у (х = R0sin у cos9, y = R0sin y sin ф), z = R0 cos y, y - угол места (0 < у < у), ф -угол азимута (0 < ф < 2л).

Деформации формы капли при незначительной амплитуде колебаний считаются малыми, при этом усредненный профиль капли по форме не отличается от статического, сохраняются и вышеуказанные параметры формы, оставаясь близкими по величине к их значениям в равновесном статическом состоянии. При оценке частоты собственных колебаний нижайшей неосе-симметричной колебательной моды используется приближенный, но физически непротиворечивый подход, при котором учитывается движение жидкости, приводящее к деформации поверхности, вызывающей соответствующие асимметричные силы поверхностного натяжения, а также наличие на площадке контакта с подложкой неподвижного слоя за счет прилипания капли

Рис. 1. Расчетная модель. Профиль капли жидкости, находящейся в равновесии на твердой подложке (вертикальный разрез и граница жидкость - пар -жирная линия г - г )

к подложке в области пятна смачивания - на контакте жидкость - твердая поверхность.

Анализ и оценка частоты собственных неосесимметричных колебаний капли

Колебания центра масс капли, ориентированные вдоль горизонтальной оси x, сопровождаются периодической деформацией границы, имеющей определенную пространственно-угловую зависимость. Предполагаем, что деформация границы капли описывается единственной компонентой смещения uR, имеющей следующую зависимость от углов у, ф в сферической системе:

uR = и0Ф(у, ф) = 2u0 sin у sin(y - у) cos ф ,

0 <у<у, (1)

где u0 - амплитуда колебаний.

Такое смещение границы приводит к возмущению статически равновесного распределения поверхностного натяжения, к возникновению возвращающей силы с плотностью силы, которую можно приближенно вычислить по формуле:

p = ctAur , (2)

где ст - коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Вычислив x-компоненту интеграла от плотности силы по поверхности усеченной полусферы, нетрудно получить возвращающую силу Fx в осцилляторе, который ставится в соответствие колеблющейся капле. Амплитуда смещения центра масс ux деформируемой капли вычисляется так же - как x-компонента интеграла, взятого от колебательного смещения на границе по поверхности усеченной полусферы, по которой распределено это колебательное смещение. Квадрат частоты собственных колебаний raj: связан с перечисленными величинами и массой капли соотношением:

=_м_

Вычисление плотности силы p осуществляется по формуле (2) с учетом зависимости от у, ф по формуле (1) и представления Д в сферических координатах:

1 Э2 Ф_

»2 =-

ctu0 p =-т

R02

1 Э ( . ЭФ —--1 Sin у-

sin у Эу I Эу

F' = 2R,

2

! JJp cos фёф sin у^у:

0 —_л

2

У 2

2CTu0 Ц

0

2

1 ЭГ ЭФ

—--1 sin у-| +

sin у Эу i Эу

(5)

1 ЭФ

sin2 у Эф2

cos ф^ф sin у^у,

что приводит к искомому выражению:

Fx = %ctu0 (3-2 cos у - cos 2y) . (6)

Амплитуда смещения центра масс ux вычисляется аналогично:

2

2 J JuR sin у^у^ф

0

2

У2

2 J J sin у^у^ф

(7)

0

2

= u0(3 - 4cos у + cos2y) 3^(1-cos у)

Наконец, масса капли может быть представлена как функция радиуса кривизны R0, плотности жидкости р и контактного угла у в соответствии с формулой:

2rcpR03

3

(1 — cos у). (8)

M = r 2dr J sin ydy =

0 0

В результате после подстановки Fx, ux, M в (3) нетрудно получить формулу для расчета резонансной частоты f = ш r /2л :

(3)

. (4)

sin2 y Эф2

Выражение для x -компоненты амплитуды возвращающей силы получается после интегрирования (4) по поверхности капли:

f = 3 ст 3-2cos у- cos2y (9) r 2 у 2^pR03 3 -4 cos у + cos 2 у

Очевидно, что в линейной постановке задачи в формуле для частоты колебаний амплитуда колебаний u0 не фигурирует. Последнее связано с тем, что ей пропорциональны и амплитуда силы, и амплитуда смещения, входящие в числитель и, соответственно, в знаменатель формулы (3). По той же причине, т.е. вследствие интегрирования по поверхности капли величин, стоящих в числителе и знаменателе, в значительной степени устраняется влияние априорного выбора пространственно-угловой зависимости (1), описывающей деформацию границы при колебаниях капли.

С помощью (9) выполнены численные оценки резонансной частоты fr исследуемых колебаний капли, а также получена зависимость ча-

л

л

+

л

ux =

л

64

Ю.М. Заславский

Рис. 2. Зависимость резонансной частоты /г собственных колебаний от величины контактного угла у°: 1 - Я0 = 1 мм, 2 - Я0 = 2 мм, 3 - Я0 = 3 мм

стоты от величины контактного угла (в предположении взаимной независимости Я0 и у). В расчете приняты следующие значения параметров, характерные для воды: ст = 0.073 Н/м,

р = 103 кг/м3, и рассматриваются несколько возможных значений радиуса кривизны капли Я0 = 1 мм , Я0 = 2 мм , Я0 = 3 мм . Для перечисленных значений указанных параметров представлены графики зависимости частоты /г от величины контактного угла у (см. рис. 2 кривые 1, 2, 3). С ростом угла у происходит спад /г, что по физическим соображениям представляется оправданным. Результаты расчетов, а также опытные данные, полученные предшествующими авторами в экспериментах с реальными ансамблями капель жидкостей, наносимых на подложки из разных материалов, касаются исследований зависимости частоты основной и высших мод (но в основном осе-симметричных) собственных колебаний капли от ее размера и коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Вместе с тем остаются немногочисленными исследования зависимости частоты наинизшей моды собственных неосе-симметричных колебаний капли от краевого угла и других параметров [4, 5, 10-12]. Получение экспериментальных данных и соответствующих зависимостей в широком контролируемом интервале углов осложняется гистерезисом краевого угла и другими трудностями измерений. Однако формула (9), полученная в работе, показывает взаимную связь между краевым углом смачивания (представляющим практический интерес) и резонансной частотой колебаний на нижайшей и эффективно возбуждаемой моде вибрации капли при трех различных зна-

чениях радиуса кривизны и остальных фиксированных параметрах.

Выводы

Представленные результаты могут быть использованы для дистанционного контроля параметров смачивания: краевого угла на контакте жидкость - подложка и коэффициента поверхностного натяжения различных видов жидкостей на основе замера частоты наинизшей моды неосесимметричных собственных колебаний капли, которая проявится как частота резонансного отклика при акустическом воздействии на систему «капля на подложке». Расчетные зависимости могут способствовать достоверности и надежности экспериментальных данных, получаемых при бесконтактной акустической диагностике указанных характеристик капельной жидкости в различных технологических процессах.

Список литературы

1. Де Жен П.Ж. Смачивание: Статика и динамика // Успехи физических наук. 1987. Т. 151. Вып. 4. С. 619-681.

2. Финн Р. Равновесные капиллярные поверхности. Математическая теория. М.: Мир, 1989.

3. Канчукоев В.З. Определение профиля жидкой капли на твердой поверхности // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. Вып. 2. С. 12-16.

4. Коренченко А.Е., Илимбаева А.Ж., Бескачко В.П. Численное исследование свободных колебаний лежащей капли // Вестник ЮурГУ. Сер. Математика. Механика. Физика. 2011. Вып. 4. № 10 (227). С. 72-76.

5. Любимов Д.В., Любимова Т.П., Шкляев С.В. Неосесимметричные колебания полусферической капли // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2004. № 6. С. 8-20.

6. Лебедев-Степанов П.В., Карабут Т.А., Чернышев Н.А., Рыбак С.А. Исследование формы и устойчивости капли жидкости на вращающейся подложке. //Акуст. журн. 2011. 57. № 3. С. 323-328.

7. Заславский Ю.М. О профиле капли жидкости в контакте с подложкой // Международный научно-исследовательский журн. 2013. Ч. 1. 9(16). С. 27-29.

8. Barash L.Yu. Influence of gravitational forces and fluid flows on the shape of surfaces of a viscous fluid of capillary size // Phys. Rev. E. 2009. 79. 025302(R).

9. Шикин В.Б. Неустойчивость и реконструкция тонкой пленки в инверсионных условиях // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 75. Вып. 5. С. 382-387.

10. Иванцов А.О. Акустические колебания полусферической капли // Гидродинамика: Межвуз. сб. научных трудов. ПГУ, 2005. С. 22-39.

11. Moon J.H., Kang B.H. The lowest oscillation mode of a pendant drop // Phys. Fluids. 2006. V. 18. P. 021702.

12. Celestini F., Kofman R. Vibration of submillimeter-size supported droplets // Phys. Rev. 2006. E 73. 041602.

ustojchivosti kapli zhidkosti na vrashchayushchejsya

ON EIGENFREQUENCY OF NON-AXISYMMETRIC OSCILLATIONS OF A LIQUID DROP ON A SUBSTRATE

Yu.M. Zaslavsky

Non-axisymmetric eigen oscillations of a liquid drop lying on a rigid flat wettable substrate in the gravity field are theoretically studied. An eigenfrequency formula of drop oscillations along the substrate as the lowest non-axisymmetric mode is derived and its dependences on the drop curvature radius, the contact angle and the surface tension coefficient are analyzed.

Keywords: drop, liquid, moistening (wetting), substrate, contact angle, curvature radius, surface tension, natural oscillations (eigenmodes).

References

1. De Zhen P.Zh. Smachivanie: Statika i dinamika // Uspekhi fizicheskih nauk. 1987. T. 151. Vyp. 4. S. 619681.

2. Finn R. Ravnovesnye kapillyarnye poverhnosti. Matematicheskaya teoriya. M.: Mir, 1989.

3. Kanchukoev V.Z. Opredelenie profilya zhidkoj kapli na tverdoj poverhnosti // Pis'ma v ZhTF. 2004. T. 30. Vyp. 2. S. 12-16.

4. Korenchenko A.E., Ilimbaeva A.Zh., Beskachko V.P. Chislennoe issledovanie svobodnyh kolebanij lezhashchej kapli // Vestnik YUurGU. Ser. Matematika. Mekhanika. Fizika. 2011. Vyp. 4. № 10 (227). S. 72-76.

5. Lyubimov D.V., Lyubimova T.P., Shklyaev S.V. Neosesimmetrichnye kolebaniya polusfericheskoj kapli // Izv. RAN. Mekhanika zhidkosti i gaza. 2004. № 6. S. 8-20.

6. Lebedev-Stepanov P.V., Karabut T.A., Cher-nyshev N.A., Rybak S.A. Issledovanie formy i

podlozhke. //Akust. zhurn. 2011. 57. № 3. S. 323-328.

7. Zaslavskij Yu.M. O profile kapli zhidkosti v kontakte s podlozhkoj // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurn. 2013. Ch. 1. 9(16). S. 27-29.

8. Barash L.Yu. Influence of gravitational forces and fluid flows on the shape of surfaces of a viscous fluid of capillary size // Phys. Rev. E. 2009. 79. 025302(R).

9. Shikin V.B. Neustojchivost' i rekonstrukciya tonkoj plenki v inversionnyh usloviyah // Pis'ma v ZhEhTF. 2007. T. 75. Vyp. 5. S. 382-387.

10. Ivancov A.O. Akusticheskie kolebaniya polusfericheskoj kapli // Gidrodinamika: Mezhvuz. sb. nauchnyh trudov. PGU, 2005. S. 22-39.

11. Moon J.H., Kang B.H. The lowest oscillation mode of a pendant drop // Phys. Fluids. 2006. V. 18. P. 021702.

12. Celestini F., Kofman R. Vibration of submillimeter-size supported droplets // Phys. Rev. 2006. E 73. 041602.