ИСТИНА

В последние десятилетия возрос интерес к так называемым «супергидрофобным» поверхностям (СГП), сочетающим химическую гидрофобность поверхностного молекулярного слоя и наличие микрорельефа (текстуры), образованного микрокавернами либо микровыступами с характерным размером порядка 10-6-10-4 м. При течении жидкости вдоль такой поверхности в элементах текстуры силами поверхностного натяжения могут удерживаться малые пузырьки газа. Так как в области контакта жидкости и поверхности пузырьков трение практически отсутствует, осредненное макроскопическое трение на СГП также снижено, а жидкость на поверхности приобретает ненулевую макроскопическую скорость проскальзывания. За счет уменьшения области контакта жидкости и твердой поверхности статический угол смачивания одиночной капли, помещенной на СГП, может превышать 150°. Снижение трения и проскальзывание жидкости на СГП подтверждаются многочисленными экспериментальными данными (см., например, \cite{Roth}). Супергидрофобные поверхности обладают целым набором свойств, представляющих существенный прикладной интерес. Помимо отталкивания жидкости на молекулярном уровне и пониженного гидродинамического сопротивления, такие поверхности имеют способность к самоочистке, обладают повышенным порогом обледенения, заметно измененным коэффициентом теплообмена и даже антикоррозийными и антимикробными свойствами \cite{Boin}. Все это поддерживает интерес к теоретическим и экспериментальным исследованиям характеристик СГП, имеющим целью установить связь параметров микротекстуры поверхности с ее макроскопическими свойствами. Ключевой гидродинамической характеристикой супергидрофобной поверхности является тензор скольжения, входящий в формулировку эффективного граничного условия (условия скольжения типа Навье), которое используется при осредненном описании течений вязкой жидкости вблизи супергидрофобной поверхности на масштабе, много большем линейного размера элементов текстуры поверхности (макромасштабе). Доклад посвящен обзору теоретических результатов, полученных авторами в последние годы в НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова \cite{Ageev1, Ageev2, Ageev3, Ageev4, Ageev5, Ageev6, Ageev7}. В первой части представлены новые решения уравнений гидродинамики с условием проскальзывания на твердых стенках для задач о растекании пленки жидкости от заданного локализованного источника массы, стекании ручейка по наклонной стенке и стекании жидкости с поверхности горизонтального цилиндра в поле силы тяжести. Эти решения предоставляют удобный инструмент для экспериментального определения главных компонент тензора скольжения супергидрофобных поверхностей. Во второй части доклада представлены решения ряда задач микрогидродинамики вязкой жидкости вблизи каверн полосчатой супергидрофобной поверхности, частично либо полностью заполненных газовой фазой. Разработан новый вариант метода граничных элементов для двумерных течений, описываемых уравнениями Стокса в областях с составными граничными условиями, включающими зоны прилипания жидкости и нулевых касательных напряжений. На основании параметрических численных решений исследованы сдвиговые течения, скорость которых направлена под углом к кавернам супергидрофобной поверхности с периодической полосчатой текстурой. Решены задачи о стационарном и пульсирующем течении вязкой жидкости в плоском канале с супергидрофобными стенками. После осреднения полученных решений по периоду микротекстуры проведено параметрическое исследование компонент тензора скольжения и эффекта снижения гидродинамического сопротивления. Обсуждается влияние геометрических параметров текстуры, кривизны и положения межфазной границы в кавернах, а также пульсаций пузырьков в каверне под действием наложенных гармонических колебаний. Для сдвиговых течений вдоль каверн полосчатой текстуры длина проскальзывания оказывается примерно в два раза больше, чем для течения поперек каверн при тех же значениях остальных параметрах. Показано, что учет кривизны и смещения межфазной границы внутрь каверны приводит к значительному ухудшению макроскопического проскальзывания жидкости. Для стационарного течения в канале с супергидрофобной стенкой падение давления вдоль канала приводит к заметному изменению положений межфазной поверхности в кавернах и длин проскальзывания скорости в различных сечениях канала. Обнаружен неожиданный эффект - наложение гармонических колебаний на сдвиговое течение в окрестности каверны с пульсирующим газовым пузырьком может приводить к увеличению скорости проскальзывания и более заметному снижению сопротивления, чем в аналогичном стационарном течении вблизи СГП. Данный эффект может служить одним из возможных объяснений механизмов снижения трения в турбулентных течениях вдоль СГП. Работа выполнена по госбюджетному плану МГУ при частичной поддержке гранта РФФИ № 20-01-00103. 1. Rothstein J.P. Slip on superhydrophobic surfaces // Annu. Rev. Fluid Mech., 2010. - V. 42. - P. 89. 2. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии, 2008. - Т. 77. - № 7. - С. 619. 3. Агеев А.И., Осипцов А.Н. Автомодельные режимы растекания тонкого слоя жидкости вдоль супергидрофобной поверхности // Изв. РАН. МЖГ, 2014. - № 3. - С. 37. 4. Агеев А.И., Осипцов А.Н. Стекание ручейка вязкой жидкости по наклонной супергидрофобной поверхности // Доклады РАН, 2014. - Т. 458. - № 6. - С. 652. 5. Агеев А.И., Осипцов А.Н. Стоксово течение над каверной супергидрофобной поверхности, содержащей пузырек газа // Изв. РАН. МЖГ, 2015. - № 6. - С. 35. 6. Ageev A.I., Golubkina I.V., Osiptsov A.N. Application of boundary element method to Stokes flows over a striped superhydrophobic surface with trapped gas bubbles // Phys. Fluids, 2018. - V. 30. - P. 012102. 7. Агеев А.И., Осипцов А.Н. Стоксово течение в микроканале с супергидрофобными стенками // Изв. РАН. МЖГ, 2019. - № 2. - С. 59. 8. Агеев А.И., Осипцов А.Н. Сдвиговое течение вязкой жидкости над каверной, содержащей пульсирующий пузырёк газа // Доклады РАН, 2020. - Т. 493. - С. 38. 9. Агеев А.И., Осипцов А.Н. Пульсирующее течение вязкой жидкости над каверной, содержащей сжимаемый газовый пузырек // Изв. РАН. МЖГ, 2021. - № 6. - С. 38.