В ведущем научном журнале в области механики жидкости Journal of Fluid Mechanics вышла статья сотрудников ИМСС УрО РАН Мизёва А.И., Шмырова А.В. и Шмыровой А.И. «On the shear-driven surfactant layer instability». Работа посвящена изучению течений в жидкостях, на поверхности которых имеется слой молекул поверхностно-активного вещества (или сурфактанта). Межфазная гидродинамика, в рамках которой рассматриваются такого типа задачи, до сих пор далека от полного понимания явлений, несмотря давнюю историю развития. Это связано с междисциплинарным характером таких проблем, лежащих на стыке гидродинамики и физической химии. Слои сурфактанта толщиной всего в одну молекулу представляют собой двумерные объекты, характеризующиеся своей собственной диффузией и реологией, что необходимо учитывать при описании течений жидкости.

В большинстве существующих теоретических исследований отдельные уравнения движения в двумерной фазе не рассматриваются, а влияние сурфактанта учитывается лишь в граничных условиях баланса касательных напряжений. Основанные на таком подходе модели предсказывают иммобилизацию свободной поверхности при наличии сурфактанта. Систематическое экспериментальное исследование, проведенное группой авторов, показало, что при определенных условиях в слое сурфактанта возникает упорядоченное многовихревое движение, появление которого не зависит от природы источника течения, а определяется реологическими свойствами сурфактанта и характеристиками течения в объеме. Использование целого ряда новых экспериментальных методик, разработанных авторами, позволило обобщить экспериментальные наблюдения и предложить физическую модель явления, в рамках которой слой сурфактанта рассматривается как отдельная двумерная несжимаемая жидкость, а появление многовихревого течения как неустойчивость механического равновесия такого слоя, развивающаяся в результате кризиса потока импульса со стороны объемного течения. В гидродинамике известен класс неустойчивостей, связанных с кризисом потока той или иной сохраняющейся физической величины: энергии или массы (неустойчивость Рэлея), момента импульса (неустойчивость Тейлора- Куэтта) или заряда (неустойчивость Аттена). В этом смысле описанная авторами неустойчивость является до сих пор отсутствовавшим звеном. На основе анализа размерностей авторами предложен безразмерный параметр, величина которого зависит от реологических характеристик слоя сурфактанта и параметров течения и определяет порог развития неустойчивости. Описанный авторами механизм неустойчивости позволяет по-новому взглянуть на результаты некоторых экспериментальных исследований в межфазной гидродинамике. В частности, развитие неустойчивости способно объяснить т.н. парадокс Леонардо, заключающийся в спонтанном переходе траектории всплывающего пузырька от прямолинейной к спиральной. Данное явление, впервые описанное ещё в 16 веке Леонардо да Винчи, до сих пор не получило непротиворечивого объяснения.

Mizev A., Shmyrov A., Shmyrova A. On the shear-driven surfactant layer instability // Journal of Fluid Mechanics. 2022. V. 939. A24.

Полный текст новости доступен на сайте Уральского отделения Российской академии наук

• Назад
• Вперед