В. К. Верхоломов
Аннотация
Впервые показано, что при скольжении жидкости (воды) вдоль гидрофобной поверхности турбулентный пограничный слой на ней не возникает. Впервые установлена физическая причина отсутствия влияния скольжения жидкости на снижение сопротивления трения текстурированного гидрофобного покрытия при турбулентном режиме течения.
// Science and World. 2020. № 8, V. 1, p. 8-10
Введение
Значительный научный и практический интерес представляет эффект скольжения жидкости по гидрофобной твердой поверхности. Эффект скольжения жидкости проявляется в том, что нарушается обычная структура течения жидкости на твердой поверхности: жидкость не прилипает, а начинает скользить вдоль твердой поверхности. Поскольку в статье не ставилась задача по обзору имеющихся работ по скольжению жидкости, в качестве примера будут даны ссылки лишь на некоторые из них. Все экспериментальные работы условно можно разделить на два направления.
К первому относятся работы по исследованию скольжения в закрытых каналах (в трубах, капиллярах). В качестве критерия для оценки действия эффекта скольжения в этих работах [3, 6, 8, 9, 10, 11] рассматривалось возрастание средней по сечению канала скорости течения и расхода по отношению к соответствующим значениям на тестовых поверхностях без покрытия.
Ко второму направлению относятся работы с внешним обтеканием жидкостью (водой) гидрофобных поверхностей [4, 5 и др.]. Критерием оценки в этих работах служило уменьшение коэффициента сопротивления трения на обтекаемой поверхности с покрытием.
Общий результат работ можно свести к следующему основному выводу. Положительное действие эффекта скольжения на высокогидрофобных текстурированных покрытиях проявлялось лишь при ламинарном течении (до 40-50% относительно тестовой поверхности). При турбулентном течении положительного эффекта получить не удалось.
В работе [1] впервые в науке проведена экспериментальная оценка эффекта скольжения воды в открытом П-образном лотке с супергидрофобным покрытием внутренней поверхности. В процессе проведения экспериментов также впервые получен факт отрыва потока воды от боковых стенок лотка. Полученные результаты имеют не только научное, но и практическое значение применительно, например, к многочисленным канализационным коллекторам для сброса сточных вод, к открытым ирригационным каналам и т.д.
Целями работы были исследования физической картины эффекта скольжения воды вдоль высокогидрофобного покрытия и причин возникновения явления отрыва потока от боковых стенок лотка. Настоящая работа является логическим продолжением предыдущей работы [1].
1. Физические особенности скольжения жидкости вдоль твердой поверхности
С целью объяснения физики поверхностных явлений при скольжении жидкости ранее были предложены модель молекулярного скольжения и модель газовой прослойки между жидкостью и твердой поверхностью. В [3] была предложена также модель кажущегося проскальзывания со снижением вязкости граничного слоя жидкости вдоль гидрофобной поверхности. Однако эти модели рассматриваются применительно к закрытым каналам (капилляры, трубы) и исходят из безотрывного течения при скольжении жидкости.
Полученные в данной работе экспериментальные результаты по скольжению жидкости в открытом лотке с супергидрофобным покрытием попытаемся объяснить в рамках следующего гидродинамического подхода. Он основывается на фундаментальном положении теории смачивания и растекания по твердой поверхности. Как известно [7], смачивание и растекание жидкости по твердой поверхности определяются физико-химическими процессами на границах раздела фаз и сопровождаются действием соответствующих сил притяжения: сил адгезии и сил когезии. Процесс смачивания и растекания определяется соотношением этих сил. Качественно картина выглядит следующим образом [7]. При относительно больших силах адгезии (работа сил адгезии WA > 1/2 WK, где WK – работа сил когезии) реализуется смачивание: краевой угол смачивания θ0 < 90º. При малых силах адгезии (WA < 1/2 WK) реализуется несмачивание: θ0 > 90º.
Естественно, что силы адгезии и когезии действуют и при течении жидкости (воды) вдоль твердой лиофильной поверхности. Когда силы адгезии достаточно большие, они притягивают слой поверхностных молекул воды. В итоге слой молекул, непосредственно прилегающий к поверхности, прилипает к ней: его скорость движения становится равной нулю. Таким образом, действие сил адгезии на поверхностные молекулы превосходит действие как сил когезии, так и внешних тангенциальных сил, стремящихся оторвать их от поверхности. Следующий уже движущийся слой молекул, прилегающий к слою поверхностных молекул, начинает подтормаживаться из-за сил когезии, действующих между этими слоями. Между молекулами этого и соседнего слоя также действуют силы когезии, которые стараются затормозить скорость течения и т.д. Такая картина действует, по-видимому, при ламинарном течении и в ламинарном подслое при турбулентном течении. Таким образом, получается, что главная роль в образовании пограничного слоя на твердой поверхности при течении жидкости принадлежит силам адгезии.
Иная картина течения жидкости будет складываться на твердой гидрофобной поверхности с большим краевым углом смачивания. На гидрофобной водоотталкивающей поверхности силы адгезии, действующие на поверхностные молекулы воды, существенно уменьшаются. Эффект скольжения жидкости наступает, начиная с некоторого граничного значения краевого угла смачивания θ ≥ θr, где θr – граничное значение краевого угла смачивания, при котором наступает эффект скольжения (скатывания) жидкости. Этот эффект проявляется как в случае потока жидкости, так и в случае одиночных капель. С учетом результатов [2] можно принять, что в случае воды θr ~ 125º. При течении воды по гидрофобной поверхности при действии эффекта скольжения, можно говорить о том, что в этом случае разрушается общепринятая структура течения вблизи поверхности. Силы адгезии уменьшаются настолько, что уже не могут сопротивляться внешним тангенциальным силам и силам когезии со стороны соседнего движущегося слоя жидкости. Происходит отрыв ранее неподвижных молекул, прилипших к твердой поверхности. Этот слой вдруг приходит в движение и начинает перемещаться относительно стенки: начинается скольжение жидкости. Таким образом, представляется сделать очень важный вывод, что при течении со скольжением жидкости турбулентный пограничный слой не образуется, не возникает. При этом, как было показано в работе [1], одновременно происходит также отрыв потока от боковых стенок открытого лотка.
2. Обсуждение полученных результатов
Прежде всего, хотелось бы остановиться на вопросе, связанном с новизной полученных в настоящей работе результатов.
Впервые в науке (и российской, и зарубежной) получено новое явление отрыва потока воды от боковых стенок открытого лотка с супергидрофобным водоотталкивающим покрытием на всех исследованных режимах. Исследованные режимы течения соответствовали турбулентному режиму. Даже при малом расходе Q=16 мл/с и угле наклона лотка α=0º число Рейнольдса, определенное по гидравлическому радиусу, превышало критическое значение: Re = 645 > Reкр, где Reкр = 575. По аналогии с лакмусовой бумагой в химии, в физической химии по существу предложен новый простой метод выявления скольжения жидкости - «метод открытого лотка». Этот метод наглядно и просто позволяет судить о наличии или отсутствии эффекта скольжения жидкости на том или ином покрытии при турбулентном течении: есть отрыв потока от боковых стенок – есть скольжение жидкости (воды), нет отрыва потока – нет скольжения воды.
Впервые в настоящей работе ясно сказано, что на водоотталкивающей высокогидрофобной поверхности при наличии скольжения жидкости турбулентный пограничный слой не возникает, не образуется. Выявлена физическая причина такого положения, которая состоит в существенном снижении сил адгезии со стороны твердой поверхности.
Наконец, установлен единственно возможный критерий возникновения эффекта скольжения жидкости (воды) по твердой поверхности. Таким критерием является классическая характеристика поверхностных явлений – краевой угол смачиваемости, в данном случае его граничное значение θr (для воды θr ~ 125º). При углах, превышающих граничное значение, на лотке с покрытием возникает устойчивое скольжение жидкости и отрыв потока от боковых стенок открытого лотка.
Что касается вопроса о незначительном, а в ряде случаев (например, [4]) даже отрицательном эффекте от скольжения воды при турбулентном режиме течения, можно сказать следующее. Как уже сказано выше, при скольжении воды вдоль высокогидрофобной поверхности турбулентный пограничный слой не образуется. Скорость течения на стенке уже не равна нулю. В этих условиях сопротивление трения становится очень чувствительным к шероховатости поверхности, к шероховатости покрытия. Это убедительно подтверждают эксперименты в [5] на вращающихся дисках с текстурированными гидрофобными покрытиями и без них. Было получено, что коэффициент момента сопротивления трения зависел только от числа Рейнольдса и шероховатости поверхности, а скольжение жидкости никак не влияло. Из анализа данных этой и других работ можно сделать вывод: всегда при турбулентном режиме течения на текстурированном гидрофобном покрытии будет возникать или доквадратичный, или квадратичный закон гидравлического сопротивления. Таким образом, возможный большой положительный эффект от скольжения жидкости при турбулентном течении полностью нивелируется сопротивлением от шероховатости текстурированных покрытий. В этой связи встает вопрос о разработке гладких водоотталкивающих высокогидрофобных покрытий (типа политетрафторэтилена).
Полученные в настоящей работе результаты в будущем могут найти практическое применение, также для борьбы с разрушительными наводнениями и паводками с помощью размещения по берегам рек железобетонных блоков уголкового сечения с прочным долговременным супергидрофобным покрытием.
Выводы
1. На основании впервые полученного явления отрыва потока воды от боковых стенок открытого лотка с высокогидрофобным покрытием предложен новый метод определения скольжения жидкости – метод открытого лотка.
2. Впервые показано, что при скольжении жидкости по супергидрофобной поверхности турбулентный пограничный слой на ней не образуется.
3. Анализ физических особенностей скольжения жидкости показал, что при турбулентном режиме течения на текстурированных гидрофобных покрытиях будет возникать или доквадратичный, или квадратичный закон гидравлического сопротивления. Сделан вывод о необходимости разработки гладких высокогидрофобных покрытий.
Литература
- Верхоломов, В. К. Отрыв потока от стенок при скольжении воды в открытом лотке с супергидрофобным покрытием / В. К. Верхоломов // Science and world. – 2020. - №3. – V. 1. – С. 8-11.
- Верхоломов, В. К. Экспериментальная оценка гидрофобных свойств различных покрытий / В. К. Верхоломов // Физика и химия обработки материалов. - 2014. - №3. - С. 33-37.
- Виноградова О. И. Особенности гидродинамического и равновесного взаимодействия гидрофобных поверхностей.: Дис. на соиск. уч ст. д.ф.-м. н. / О. И. Виноградова - М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2000. - 175 С.
- Мирошник Д. Ю., Сверчков А. В. Оценка возможности применения гидрофобных покрытий для снижения гидродинамического сопротивления судов / Д. Ю. Мирошник, А. В. Сверчков // - СПб.: Междунар. конф. по судостр. и океанотех. - 2016. – С. 493-497.
- Орлов О. П., Сверчков А. В. Оценка возможности применения водоотталкивающих покрытий для снижения гидродинамического сопротивления судов / О. П. Орлов, А. В. Сверчков // - СПб.: Крыл. госуд. науч. центр. - 2018.- Т. 383.- №1. С. 43-59.
- Сомов А. Н. Скольжение ртути в кварцевых микрокапиллярах / А. Н. Сомов // Коллоид. Ж. – 1982. – Т. 44. – С. 160–163.
- Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания / Б. Д. Сумм, Ю. В. Горюнов // - М.: Химия. - 1976. 232 С.
- Толстой Д. М. Молекулярная теория скольжения жидкости по твердым поверхностям / Д. М. Толстой // Докл. АН СССР. - 1952. - Т.85. - №5. - С. 1089-1092.
- Schnell E. Slippage of Water over Nonwettable Surfaces / E. Schnell // J. Appl. Phys. – 1956. – V. 27. – P. 1149–1152.
- Watanabe K., Januar H., Udagawa H. Drag reduction of Newtonian fluid in a circular pipe with highly water-repellent wall / K. Watanabe, H. Januar, H. Udagawa // J. of Fluid Mechanics. - 1999. - V. 381.
- Zhao J., Du X., Shi X. Experimental research on friction-reduction with super-hydrophobic surfaces / J. Zhao, X. Du, X. Shi //J. of Marine Schi. and Appl. - 2008. - V. 6. - №3. - P. 58-61.