Моделирование соударения капли концентрированной суспензии с подложкой

Авторы

Жариков Д. С.

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

e-mail: dimazharikov10@gmail.com

Аннотация

В статье рассматривается численное моделирование удара капли дилатантной суспензии о твердую поверхность с учетом неньютоновского характера течения. Актуальность работы связана с необходимостью более точного описания поведения концентрированных суспензий при ударных и высокоскоростных воздействиях, возникающих при нанесении функциональных покрытий, распылении технологических составов и разработке ударостойких материалов на основе сдвигозагущающихся жидкостей. Целью работы является исследование влияния сдвигового загущения на динамику деформации и растекания капли дилатантной суспензии при ее взаимодействии с твердой поверхностью, а также оценка применимости численного подхода для описания процессов, характерных для реальных технологических и инженерных задач. Для описания двухфазного течения использован метод объема жидкости (Volume of Fluid). Зависимость эффективной вязкости от локальной скорости сдвига реализована с помощью пользовательской функции (user-defined function), а перенос исторической переменной с помощью UDS (user-defined scalar). Рассмотрены суспензии с различной объемной долей дисперсной фазы, для которых задавались реологические параметры, соответствующие экспериментальным данным. Результаты численного моделирования показывают, что учет сдвигового загущения позволяет более корректно описать изменение формы капли и характер ее взаимодействия с твердой поверхностью, а сравнение с данными оригинальной работы подтверждает применимость выбранного подхода. 
Полученные результаты могут быть использованы при дальнейшем моделировании процессов ударного взаимодействия капель концентрированных неньютоновских суспензий с твердыми поверхностями, в частности в задачах разработки защитных и ударопоглощающих материалов, где важны процессы деформации, растекания и диссипации энергии при быстром механическом воздействии.

Ключевые слова:

реология; удар капли; суспензия; численное моделирование; сдвиговое загущение; уравнения Навье-Стокса

Список источников

1. Ye Q., Tiedje O., Shen B., Domnick J. Impact of viscous droplets on dry and wet substrates for spray painting processes // Fluids. 2025. Vol. 10, no. 5. Article no. 131. DOI: 10.3390/fluids10050131.
2. Mundo Ch., Sommerfeld M., Tropea C. Droplet-wall collisions: experimental studies of the deformation and breakup process // International Journal of Multiphase Flow. 1995. Vol. 21, no. 2. P. 151–173.
3. Derby B. Inkjet printing of functional and structural materials: fluid property requirements, feature stability, and resolution // Annual Review of Materials Research. 2010. Vol. 40. P. 395–414.
4. Kim J. Spray cooling heat transfer: The state of the art // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2007. Vol. 28, no. 4. P. 753–767.
5. Boyer F., Sandoval-Nava E., Snoeijer J. H., Dijksman J. F., Lohse D. Drop impact of shear thickening liquids // Physical Review Fluids. 2016. Vol. 1, no. 1. Article no. 013901. DOI: 10.1103/PhysRevFluids.1.013901.
6. Rioboo R., Tropea C., Marengo M. Outcomes from a drop impact on solid surfaces // Atomization and Sprays. 2001. Vol. 11, no. 2. P. 155–165.
7. Josserand C., Thoroddsen S. T. Drop impact on a solid surface // Annual Review of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 48. P. 365–391.
8. Grishaev V., Iorio C. S., Dubois F., Amirfazli A. Complex drop impact morphology // Langmuir. 2015. Vol. 31, no. 36. P. 9833–9844. DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b02162.
9. Piskunov M. V., Semyonova A. E., Khomutov N. A., Ashikhmin A. E., Yanovsky V. A. Effect of rheology and interfacial tension on spreading of emulsion drops impacting a solid surface // Physics of Fluids. 2021. Vol. 33, no. 8. Article no. 083309. DOI: 10.1063/5.0059079.
10. Ashikhmin A., Khomutov N., Volkov R., Piskunov M., Strizhak P. Effect of monodisperse coal particles on the maximum drop spreading after impact on a solid wall // Energies. 2023. Vol. 16, no. 14. Article no. 5291. DOI: 10.3390/en16145291.
11. Hirt C. W., Nichols B. D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries // Journal of Computational Physics. 1981. Vol. 39, no. 1. P. 201–225.
12. Brackbill J. U., Kothe D. B., Zemach C. A continuum method for modeling surface tension // Journal of Computational Physics. 1992. Vol. 100, no. 2. P. 335–354.
13. Lunkad S. F., Buwa V. V., Nigam K. D. P. Numerical simulations of drop impact and spreading on horizontal and inclined surfaces // Chemical Engineering Science. 2007. Vol. 62, no. 24. P. 7214–7224.
14. Vozhakov I. S., Misyura S. Y., Morozov V. S., Piskunov M. V., Piskunova A. E., Orlova E. G., Mullyadzhanov R. I. High-speed droplet impact on solid surfaces: review on the prospects of modeling fluid flow // Experiments in Fluids. 2025. Vol. 66, no. 3. Article no. 65. DOI: 10.1007/s00348-025-03996-0.
15. Brown E., Jaeger H. M. Shear thickening in concentrated suspensions: phenomenology, mechanisms and relations to jamming // Reports on Progress in Physics. 2014. Vol. 77, no. 4. Article no. 046602. DOI: 10.1088/0034-4885/77/4/046602.
16. Seto R., Mari R., Morris J. F., Denn M. M. Discontinuous shear thickening of frictional hard-sphere suspensions // Physical Review Letters. 2013. Vol. 111, no. 21. Article no. 218301. DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.218301.
17. Wyart M., Cates M. E. Discontinuous shear thickening without inertia in dense non-Brownian suspensions // Physical Review Letters. 2014. Vol. 112, no. 9. Article no. 098302. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.098302.
18. Guémas M., Marín A. G., Lohse D. Drop impact experiments of non-Newtonian liquids on micro-structured surfaces // Soft Matter. 2012. Vol. 8, no. 41. P. 10725–10731. DOI: 10.1039/C2SM26230D.
19. Patankar S. V. Numerical heat transfer and fluid flow. Boca Raton: CRC Press, 2018. 214 p.
20. Youngs D. L. Time-dependent multi-material flow with large fluid distortion // Numerical Methods for Fluid Dynamics / ed. by K. W. Morton, M. J. Baines. New York: Academic Press, 1982. P. 273–285.
21. Hoffman R. L. A study of the advancing interface. I. Interface shape in liquid-gas systems // Journal of Colloid and Interface Science. 1975. Vol. 50, no. 2. P. 228–241. DOI: 10.1016/0021-9797(75)90225-8.
22. Kistler S. F. Hydrodynamics of wetting // Wettability / ed. by J. C. Berg. New York: Marcel Dekker, 1993. P. 311–429.
23. Mobaseri A., Kumar S., Cheng X. Maximum spreading of impacting shear-thinning and shear-thickening drops // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2025. Vol. 122, no. 22. Article no. e2500163122. DOI: 10.1073/pnas.2500163122.
24. Crawford N. C., Popp L. B., Johns K. E., Caire L. M., Peterson B. N., Liberatore M. W. Shear thickening of corn starch suspensions: Does concentration matter? // Journal of Colloid and Interface Science. 2013. Vol. 396. P. 83–89. DOI: 10.1016/j.jcis.2013.01.024.
25. Cho J. H., Griese A. H., Peters I. R., Bischofberger I. Lasting effects of discontinuous shear thickening in cornstarch suspensions upon flow cessation // Physical Review Fluids. 2022. Vol. 7, no. 6. Article no. 063302. DOI: 10.1103/PhysRevFluids.7.063302.
26. Popinet S. An accurate adaptive solver for surface-tension-driven interfacial flows // Journal of Computational Physics. 2009. Vol. 228, no. 16. P. 5838–5866. DOI: 10.1016/j.jcp.2009.04.042.

Скачать статью