Ученые из МФТИ и ЦАГИ разработали математические модели обтекания жидкостью тела с водоотталкивающим покрытием. Результаты исследований опубликованы в журнале «Научный Вестник МГТУ ГА». Данные, полученные в ходе моделирования, будут полезны при решении проблем обледенения летательных аппаратов и, соответственно, минимизации риска возникновения аварий.
Под обледенением понимают процесс образования льда на поверхности летательных аппаратов, приводящий к негативным последствиям. Ледяные наросты увеличивают массу воздушного судна, нарушают работу датчиков пилотажно-навигационных приборов, изменяют геометрическую форму крыла, ухудшая тем самым его аэродинамические характеристики. В результате полеты становятся более затратными из-за ускоренной амортизации и повышенного расхода топлива и, самое главное, небезопасными.
Обледенение происходит при столкновении конструктивных элементов судна с присутствующими в атмосфере каплями переохлажденной воды, то есть воды, не превращающейся в лед при температуре ниже 0 °C. Следует отметить, что кристаллизация жидкостей зависит не только от температуры, но и от давления, наличия примесей и ряда других факторов, поэтому в облаках вода может существовать в жидком состоянии даже при — 39 °C. Вероятность обледенения судна определяется метеорологическими условиями и значительно повышается на атмосферных фронтах — переходных зонах между воздушными массами, имеющими разную температуру, давление и влажность.
Препятствуют обледенению летательных аппаратов и снижают сопротивление трения водоотталкивающие покрытия, называемые еще гидрофобными. В то же время их применение сопряжено с рядом проблем. В частности, вода может проникать в поры покрытий и значительно ослаблять их гидрофобный эффект, вдобавок способствовать отложению на этих участках органических соединений и развитию микроорганизмов. Тем не менее нежелательные явления наблюдаются не всегда, а при определенных условиях. Важную роль в их возникновении играет размер и скорость движения капель, а также форма, материал и шероховатость поверхности деталей судна. Для расширения возможностей управления взаимодействием жидкости с твердым телом ученые из МФТИ и ЦАГИ разработали математические модели, позволяющие прогнозировать свойства гидрофобных покрытий в зависимости от состава и геометрии рельефа.
«С помощью методов математического и компьютерного моделирования мы описали режимы обтекания жидкостью гидрофобного тела, содержащего в порах воздух, — говорит Максим Кудров, директор Института аэромеханики и летательной техники МФТИ. — Используя модели, мы рассчитали значения коэффициентов изменения скорости молекул при соударении».
«Нами выведены оригинальные выражения для вычисления коэффициентов отскока молекул жидкости от поверхности твердого тела в зависимости от его физических свойств и температуры», — добавляет Иван Амелюшкин, программист Института аэромеханики и летательной техники МФТИ.
В ходе работы ученые апробировали разработанные математические модели. Изучая литературные источники, они собрали и обработали большой массив данных о взаимодействие воды с подложками из различных материалов. Особое внимание было уделено закономерностям изменения краевого угла смачивания θ (°), под которым понимают угол между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли жидкости. Чем больше угол смачивания θ, тем выше водоотталкивающий эффект поверхности, поэтому ученым было важно обнаружить способы повышения угла θ.
Они установили, что угол смачивания θ плоской поверхности в значительной степени зависит от температуры Дебая TD (K). Эту зависимость можно приближенно описать логарифмической кривой в окрестности экспериментальных точек (Рисунок 1).
«Мы показали, что краевой угол смачивания плоского покрытия тем больше, чем больше температура Дебая этого покрытия», — говорит Иван Амелюшкин.
Рисунок 1. Зависимость краевого угла смачивания от температуры Дебая для Pb, Ag, Al, Zn, W, Fe, Ni, Ge, Cu, Si, Be, Au, Nb, Sn, Ti, Mo, Hg, C (графит). Источник: журнал «Научный Вестник МГТУ ГА».
Надо подчеркнуть, что в твердом теле, нагретом до температуры Дебая TD, возбуждаются все собственные колебания частиц, в данном случае — атомов. Следовательно, температура Дебая TD наряду с молярной массой вещества покрытия M (кг/моль), определяет амплитуды α (Å) и частоты колебаний ω (с-1) атомов. Эти величины, в свою очередь, обуславливают обмен импульсом и образование связей при взаимодействии атомов подложки с молекулами воды. Иными словами, амплитуды α и частоты колебаний ω атомов задают водоотталкивающие свойства покрытия.
Кроме того, угол смачивания θ подложки водой находится в зависимости близкой к линейной (Рисунок 2) от радиуса образующих ее атомов rA (Å) и амплитуды их колебаний α. При этом особенности колебаний атомов зависят от кристаллической решетки вещества.
Рисунок 2. Зависимость краевого угла смачивания от амплитуды колебаний атомов металлов и полуметаллов (Mo, W, Ni, Be, Fe, Si, Ge, Ti, Nb, Cu, Au, Ag, Al, Zn, Sn, Hg) при ─ 10 °C. Источник: журнал «Научный Вестник МГТУ ГА».
Разработанные учеными математические модели будут использованы при решении проблем обледенения летательных аппаратов и снижения трения. Это позволит сделать правильный и обоснованный выбор материала гидрофобного покрытия, минимизирует риск возникновения аварийных ситуаций и расходы на полеты.
