Начальный этап соударения твердого тела с поверхностью раздела газ-жидкость

Начальный этап соударения твердого тела со свободной поверхностью, разделяющей газовую и жидкую среды, сопровождается рядом нетривиальных эффектов. Непосредственно перед соударением в тонком слое газа, разделяющем тело и жидкость, возникает значительное давление, под действием которого происходит локальная деформация свободной поверхности, вследствие чего касание (смачивание) происходит на некотором расстоянии от нижней точки тела. В случае тела с вертикальной осью симметрии смачивание на начальном этапе соударения происходит в кольцевой зоне, окружающей носик тела [1]. Схлопывание воздушной прослойки внутри кольцевой зоны под действием капиллярных сил приводит к формированию газового пузырька в районе носика тела. Аналогичное явление имеет место при падении капли на твердую поверхность и на свободную поверхность жидкости [2], что имеет большое значение в приложениях [3]. Интенсивные экспериментальные исследования данного круга задач, проведенные методами скоростной видеосъемки в течение последних двух десятилетий, продемонстрировали чрезвычайное разнообразие наблюдаемых явлений и режимов течений [4]. Описание этих эффектов требует развития новых теоретических и численных подходов, пригодных в соответствующих подобластях исходной многопараметрической задачи. В докладе приведено обсуждение современного состояния исследований задачи о соударении тел с жидкостью от работ [5, 6], развивающих подход Вагнера [7], до работ, в которых учитываются процессы в газовой прослойке для тел различной геометрии [1, 8, 9], включая тела с плоским дном [10, 11], а также с геометрическими особенностями [12, 13].

Литература:

1. Hicks P.D., Ermanyuk E.V., Gavrilov N.V., Purvis R., Air trapping at impact of a rigid sphere onto a liquid // J. Fluid Mech. 2012. V.695, P. 310–320.
2. Thoroddsen S.T., Etoh T.G., Takehara K., Air entrapment under an impacting drop // J. Fluid Mech. 2003. V.478, P. 125–134.
3. Lohse D., Fundamental Fluid Dynamics Challenges in Inkjet Printing // Annu. Rev. Fluid Mech. 2022. V.54, P.349-382.
4. Josserand C., Thoroddsen S.T., Drop impact on a solid surface // Annu. Rev. Fluid Mech. 2016. V.48, P.365391.
5. Korobkin A.A. Analytical models of water impact // Euro. J. Applied Mathematics, 2005. V.16, P. 1-18.
6. Korobkin A. A., Scolan Y.-M. 2006 Three-dimensional theory of water impact. Part 2. Linearized Wagner problem // J. Fluid Mech. V. 549, P. 343–373.
7. Wagner H. Über Stoß- und Gleitvorgänge an der Oberfläche von Flüssigkeiten // ZAMM. 1932. V.12 (4), P.193–215.
8. Hicks P. D., Purvis R. Liquid–solid impacts with compressible gas cushioning // J. Fluid Mech. 2013. V. 735, P. 120-149.
9. Ross S., Hicks P.D. A comparison of pre-impact gas cushioning and Wagner theory for liquid-solid impacts // Phys. Fluids. 2019. V. 31 (4). P. 042101.
10. Jain U., Vega-Martinez P., van der Meer D. Air entrapment and its effect on pressure impulses in the slamming of a flat disc on water // J. Fluid Mech. 2021. V. 928, A31
11. van der Meer D. Linear stability analysis of a time-divergent slamming flow // Journal of Fluid Mechanics. 2022. V. 934, A4.
12. Carrat J.-B., Gavrilov N.V., Cherdantsev A.V., Shmakova N.D., Ermanyuk E.V., Air entrapment at impact of a conus onto a liquid // J. Fluid Mech. 2023. V.966, R1.
13. Carrat J.-B., Gavrilov N.V., Cherdantsev A.V., Shmakova N.D., Ermanyuk E.V., Air entrapment at impact of a wedge, pyramids and conus onto a liquid // J. Fluid Mech. – 2026. V. 1031. A47.