Фронты смачивания и гидравлические прыжки на супергидрофобных поверхностях

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.