Компьютерное моделирование точно предсказало распад капель в бурных потоках

Новое исследование может привести к тому, что многие эксперименты по изучению жидкостей больше не потребуются. Учёные из Центра прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) Бременского университета разработали компьютерный код, который позволяет точно предсказывать распад капель в бурных потоках.


Исследователи поняли, что нет такого момента, когда капля жидкости не могла бы распасться на ещё более мелкие капли. Результаты опубликованы в журнале Science Advances, а компьютерный код сделали открытым для других учёных.

Распад капель и пузырьков от хаотичных завихрений является обычным явлением в повседневной жизни. Подобное происходит в душевой, в струях поливного распылителя, в океанских волнах. Что касается практической пользы, то распад капель играет ключевую роль в производстве лекарств, продуктов питания и косметики. Речь идёт также о смешивании жидкостей, которые естественным образом не хотят смешиваться, таких как растительное масло и яичный желток в майонезе.

Учёные искали ответ на вопрос, в какой момент капля или пузырь в вихре жидкости распадаются на более мелкие фрагменты. Было неясно, есть ли у такого распада предел по мере уменьшения капель. Дело в том, что отслеживать капли в бурной среде чрезвычайно сложно. Для получения статистически достоверных утверждений о процессе измельчения частиц жидкости требуется большое количество данных. Существует множество параметров, которые необходимо учитывать при экспериментах: тип жидкости, её плотность, поверхностное натяжение, размер капель и степень завихрения потока. Как следствие, прежние данные о распаде капель и пузырьков в турбулентных потоках были недостаточны, и это ограничивало понимание явления и затрудняло прогнозы.

Исследователь Альберто Вела-Мартин из ZARM в Бременском университете разработал новый компьютерный код. И теперь все желающие исследователи могут моделировать тысячи сценариев разлёта капель. Ключевые выводы нового моделирования заключаются в том, что процесс фрагментации капли не достигает конечного состояния, но только замедляется и продолжается в течение длительного времени. В общем, несмотря на прежние выводы учёных, не существует минимального стабильного размера капли, при котором она дальше расщепляться не будет.

Моделирование также показало, что вероятность разрыва капли или пузыря при турбулентности одинакова в любой момент времени. Отдельная капля не «знает», не «помнит», как долго она подвергалась воздействию бурного потока. Возвращаясь к примеру с майонезом, новые результаты означают: чем дольше размешивать майонез, тем более однородным он становится — просто нужно достаточно терпения.