Физики обнаружили парадоксальное поведение малых твердых частиц при высокоскоростных столкновениях с внутренними стенками механизмов. Наличие тонкой жидкой пленки на поверхности, в которую они прилетают, не смягчает удар, а наоборот усиливает отскок. Работа показывает, что при определенных условиях влажная поверхность действует как своеобразная пружина. Результаты натурных экспериментов и численного моделирования опубликованы изданием International Journal of Multiphase Flow.
Исследование указывает на существенные риски для высокоскоростных двигателей всех типов, в особенности авиационных силовых установок. В таких агрегатах абразивные частицы могут двигаться со скоростями в десятки и сотни метров в секунду, а внутренние поверхности всегда покрывают жидкой смазкой, чтобы снизить трение. Новые эксперименты показали, что при интенсивной работе силовой установки результат может быть противоположным ожидаемому — смазка становится причиной повышенного износа оборудования.
Когда жидкость перестает гасить удар
Авторы выяснили, что при увеличении скорости столкновения форма жидкой пленки резко меняется: вместо тонкого мостика между частицей и поверхностью возникает куполообразная структура. Этот пузырек образуется из-за падения давления в паровой полости — проявлении кавитации.
Возникновение такой полости уменьшает силу поверхностного натяжения, которая обычно тянет частицу к поверхности. В результате жидкость поглощает меньше энергии, а частица отскакивает с большей силой, чем при ударе о сухую стенку.
Опасный эффект для быстрых машин
Подобная динамика может оказаться критичной как для электронных компонентов в рабочей зоне двигателя, так и в целом для внутренних рабочих поверхностей машин и механизмов. Там жидкие покрытия, призванные защищать детали от повреждений, при высоких скоростях они могут неожиданно увеличивать вторичные удары и ускорять износ.
Похожие эффекты наблюдаются и в других областях:
- При падении капель дождя на влажные поверхности возникают «коронные» выбросы жидкости;
- В кавитационных пузырьках винтов кораблей давление может разрушать металл;
- В микрофлюидике пузырьки используются для управления движением частиц и клеток.
Такие параллели показывают, что взаимодействие жидкости и твердых тел при быстром движении остается одной из чувствительных точек физики многофазных потоков.
Даже простое столкновение частицы с поверхностью оказывается гораздо сложнее, чем считалось раньше. Сочетание экспериментов и численного моделирования позволило раскрыть механизм необычного усиления отскока. В дальнейшем мы планируем использовать полученные результаты для повышения надежности промышленного и транспортного оборудования и снижения рисков разрушения деталей. динамика жидкой пленки существенно меняет движение частиц и требует учета при проектировании систем, машин и механизмов.
О том, как кавитация может помочь при обработке сложных ран практически на поле боя, читайте в материале Hi-Tech Mail.
