ИСТИНА

Проект посвящен развитию фундаментальных направлений гидродинамики вязких жидкостей применительно к течениям со скольжением вдоль "супергидрофобных" поверхностей. Основное внимание уделяется развитию направлений исследований, в которых коллектив авторов проекта имеет существенный научный задел и приоритетные результаты. При этом будут рассмотрены принципиально новые постановки задач. В последние годы вырос интерес к супергидрофобным поверхностям (СГП), сочетающим химическую гидрофобность и наличие микрорельефа, образованного микрокавернами с характерным размером 1-100 мкм, содержащими малые пузырьки газа. Это приводит к осредненному скольжению жидкости и снижению сопротивления трения на СГП. Помимо пониженного трения, СГП обладают целым набором свойств, представляющих прикладной интерес: способность к самоочистке, повышенный порог обледенения, измененный коэффициент теплообмена и даже противокоррозионные и антимикробные свойства. Указанные свойства важны для широкого круга приложений - от микрофлюидики, систем охлаждения микрочипов и смазочных подшипников до противообледенительных покрытий летательных аппаратов и транспортировки углеводородов. Для течений и теплообмена в устройствах микрофлюидики использование супергидрофобных покрытий является уже технологией сегодняшнего дня. Основная цель теоретических и экспериментальных исследований характеристик СГП - установить связь параметров микротекстуры поверхности с ее макроскопическими свойствами. Для осредненного описания течения жидкости вдоль СГП на макромасштабах обычно используется граничное условие проскальзывания Навье, связывающее (с помощью матрицы тензора скольжения) вектор касательных напряжений на стенке с вектором осредненной скорости скольжения. Коэффициенты тензора скольжения являются основными параметрами, характеризующими макроскопические гидродинамические свойства СГП. У авторов проекта имеется значительный научный задел и приоритетные результаты по макро- и микрогидродинамике течений вблизи СГП, на основе которых разработаны методы определения коэффициентов тензора скольжения СГП полосчатой структуры в зависимости от микротекстуры (относительной площади проскальзывания, формы каверн, положения межфазных границ, их формы и пр.) Для закрепления и развития российского приоритета в исследовании такого рода течений вблизи СГП в проекте намечены два основных направления дальнейших исследований: (1) исследование структуры течения жидкости вблизи фронта смачивания на текстурированных супергидрофобных поверхностях. Исследование неустойчивостей (в том числе - "пальцевой неустойчивости") фронта смачивания на СГП. Планируется рассмотреть локальную структуру течения вблизи наступающего фронта смачивания на СГП, поставить и исследовать задачи устойчивости нескольких стационарных режимов распространения фронта смачивания в пленочных течениях вдоль СГП, выявить критерии неустойчивости и определить наиболее опасные типы возмущений. (2) Вторым направлением исследований является описание поведения скачков толщины ("гидравлических прыжков") на поверхности тонких пленок при их течении вдоль супергидрофобных плоских и искривленных стенок. В частности, планируется исследование положения "гидравлических скачков" в стационарных течениях и "гофрировочной" неустойчивости гидравлических прыжков, возникающих при наличии преград различного характера в дальней области течения. Решение перечисленных задач будет значительным новым шагом в развитии гидродинамики течений вблизи СГП. Каждая из планируемых к рассмотрению задач представляет самостоятельный фундаментальный и прикладной интерес.

The project is dedicated to the development of a number of fundamental branches of hydrodynamics of viscous fluids as applied to flows with velocity slip on “superhydrophobic” surfaces (SHS). Main attention is paid to the problems in the study of which the team of project authors has a significant scientific background and priority results. Principally new problem formulations will be considered. In recent years, interest has grown in so-called “superhydrophobic” surfaces (SHS), which combine the chemical hydrophobicity of the molecular surface layer and the presence of a microrelief (texture) formed by microcavities with a characteristic size of the order of 1-100 µm, in which small gas bubbles are trapped. This leads to a noticeable averaged velocity slip of a fluid and a decrease in the shear stress on the SHS, which is confirmed by numerous experimental data. In addition to the reduced hydrodynamic resistance, SHS posess a whole set of properties that are of significant applied interest: such surfaces have the self-cleaning ability, ati-icing property, a noticeably changed heat transfer coefficient, and even anti-corrosion and antimicrobial properties. These properties are of interest for a wide range of applications - from microfluidic devices, microchip cooling systems and lubrication bearings to aircraft anti-icing coatings and the transportation of liquid hydrocarbons. For flows and heat transfer in microfluidic devices, the use of superhydrophobic coatings is already a technology of today. All this supports interest in various theoretical and experimental studies of the characteristics of SHS, aimed at establishing the connection between the parameters of the surface microtexture and its macroscopic hydrodynamic properties. For hydrodynamic applications, optimizing the texture of SHS in order to minimize their hydrodynamic resistance is particularly important. For an averaged description of the flow of a viscous fluid along the SHS on scales much greater than the roughness scale, a Navier-type slip boundary condition is usually used, written in tensor form and connecting (using the slip tensor matrix) the tangential stress vector on the wall with the vector of the averaged slip velocity. The slip tensor coefficients are the main parameters characterizing the macroscopic hydrodynamic properties of the SHS. The authors of the project have a significant scientific background and priority results on the macro- and microhydrodynamics of flows near the SHS, on the basis of which new methods have been developed for determining the slip tensor coefficients of the SHS of striped structure, depending on the microtexture (relative slip area, shape of cavities, position of bubble surfaces, their shape, etc.) To consolidate and develop the Russian priority in the study of this kind of flows near the SHS, the project outlines three directions for further research: (1) investigation of the flow structure near the leading wetting front on textured SPH. The study of instabilities (including "finger instability") of the wetting front on SHS. We plan to consider the problems of stability of several steady-state regimes of wetting front propagation in film flows along SHS and find instability criteria and the most dangerous types of disturbansies. (2) The second direction of research is the description of the behavior of thickness jumps (“hydraulic jumps”) on the surface of thin films as they flow along superhydrophobic flat and curved walls. In particular, it is planned to study the “corrugated” instability of hydraulic jumps that arise in the presence of obstacles of various types in the far region of the flow. Solving the above problems will be a significant new step in the development of hydrodynamics of flows near the SHS. Each of the problems planned for consideration is of independent fundamental and applied interest.

Результатом планируемых исследований станут новые знания о гидродинамическом поведении жидкостей вблизи текстурированных супергидрофобных поверхностей (СГП), а также развитие методов математического моделирования таких течений. Существенными новыми элементами исследований будут: 1) выяснение структуры течения вблизи фронта смачивания на супергидрофобных поверхностях; 2) будут сформулированы и исследованы новые задачи гидродинамической устойчивости гладкого фронта смачивания, распространяющегося по СГП, найдены критерии развития неустойчивостей и определены наиболее опасные возмущения; 3) будут сформулированы и исследованы новые задачи о положении, структуре и "гофрировочной" неустойчивости "гидравлических прыжков" (скачков толщины) на поверхности пленочных течений на обычных и супергидрофобных поверхностях. Планируемые исследования течений вблизи СГП и анализ устойчивости фронтов смачивания на СГП позволит усовершенствовать ряд технологий микрофлюидики, связанных, в частности, с манипуляцией малыми объемами жидкости с помощью СГП ( см., например, возможные приложения в обзорах: S.G. Moghadam, et al. Multifunctional superhydrophobic surfaces// Adv. Colloid Interface Sci., 2021, V. 290; F. Lin, K. Wo, et al.// ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, V. 15) и пленочным охлаждением микрочипов, а также создать научную базу для развития новых технологий.

Осипцов А.Н., Агеев А.И. и Смирнов К.В. в течение ряда лет успешно выполняют совместные исследования по механике многофазных сред. У авторов имеются статьи, соответствующие заявленным тематикам работ по проекту, опубликованные в ведущих отечественных и зарубежных журналах. Основными результатами, относящимися к тематике проекта, являются следующие. Построены и исследованы автомодельные решения для трех новых классов течений тонкого слоя вязкой жидкости вдоль супергидрофобных (в общем случае, неоднородных) поверхностей: 1) растекание тонкого слоя жидкости от заданного локализованного источника массы на плоской горизонтальной СГП в поле силы тяжести; 2) стекание узкого ручейка вязкой и нелинейно вязкой жидкости от точечного источника по наклонной СГП; 3) стекание тонкого слоя вязкой жидкости с супергидрофобной поверхности горизонтального круглого цилиндра в поле силы тяжести (Агеев А.Н., Осипцов А.Н. Макро- и микрогидродинамика вязкой жидкости вблизи супергидрофобной поверхности, Коллоидный журнал (2022)). Развит новый вариант метода граничных интегральных уравнений для уравнений Стокса в областях со сложной геометрией границы и смешанными граничным условиями (Агеев А.И., Осипцов А.Н., МЖГ, 2021). В работе аспиранта К.В. Смирнова с соавторами (K.V. Smirnov, et al., J. Fluid Mech. 2021. V. 927) рассмотрена задача о течении пленки вязкой жидкости по плоскому вращающемуся диску с образованием гидравлического прыжка. В работе (Mogilevskiy E., Smirnov K., Low-order models for a circular hydraulic jump on a spherical cap// Phys. Fluids. 2023. V. 35. N1) рассмотрена задача о течении пленки вязкой жидкости по выпуклой части сферического сегмента.

нет