Индийские ученые рассчитали динамику пузырьков, формирующихся в горлышке бутылки при выливании из нее жидкости. Результаты опубликованы в журнале Physics of Fluids.

Физики и инженеры-технологи, а также производители напитков и бытовой химии постоянно работают над созданием оптимальной формы бутылок, которая сделала бы процесс выливания из них максимально быстрым, удобным и безопасным. Это важно не только для рядовых потребителей, но и для целого ряда технологических процессов.

Чаще всего технологи решают эту проблему нанесением специального водоотталкивающего покрытия на внутренние поверхности пластиковых сосудов, что снижает сцепление жидкости со стенками бутылки.

Исследователи из Индийского технологического института Рурки подошли к проблеме с другой стороны. Их заинтересовало, влияет ли форма бутылки и устройство ее горлышка на то, с какой скоростью может выливаться жидкость. Авторы изучили механизм образования пузырьков воздуха, которые препятствуют быстрому выходу жидкости из бутылки, и нашли способ управлять им.

Динамика образования пузырьков в горлышке бутылки зависит от нескольких факторов: теплофизических свойств жидкости, геометрии бутылки и угла ее наклона. Все это делает процесс слишком сложным, чтобы его можно было рассчитать чисто теоретически.

Ученые задокументировали механизм образования пузырьков в бутылках, используемых в качестве коммерческой упаковки, с помощью высокоскоростной фотографии. Анализ изображений позволил им определить различные параметры, такие как толщина пленки жидкости, соотношение размеров пузырьков, скорость подъема и рассчитать динамику опорожнения бутылки при различных углах ее наклона.

"Динамика пузырьков внутри бутылки очень сложна для изучения, поэтому мы разделили межфазный рост пузырьков на разные стадии", — приводятся в пресс-релизе, представленном Американским институтом физики, слова первого автора исследования Локеша Рохилла (Lokesh Rohilla).

Хорошо известно, что жидкость выливается из бутылки медленно, если держать ее вертикально, а при наклоне опорожнение происходит быстрее. При пологом наклоне увеличивается так называемая частота отсечки пузырьков, которая также зависит от теплофизических свойств жидкости. Однако, как показал эксперимент, это правило верно лишь до определенного предела — рост скорости образования пузырьков происходит до угла наклона бутылки в 20 градусов. При большем наклоне скорость образования пузырьков и течения жидкости практически не меняется.

"Наши эксперименты показывают, что существует критический угол наклона, после которого любое дальнейшее увеличение наклона бутылки не приводит к сокращению времени опорожнения бутылки, — рассказывает Рохилла. — Этот параметр связан с особенностями того, как формируются зоны пустоты и пузыри у горлышка бутылки. Наше исследование позволит подобрать такую форму горлышка бутылки, благодаря которой вода, масло или спирт будут вытекать максимально быстро".

Авторы с помощью физических формул описали процесс формирования и схлопывания пузырьков у горлышка и в верхней части бутылки при разных углах наклона и разной геометрии сосуда для воды, глицерина и силиконового масла. Расчеты показали, что сильнее всего на скорость движения жидкости влияла форма сосуда, а не вязкость и другие физические свойства самой жидкости.

Как объясняют исследователи, с помощью этих выкладок можно подобрать такую форму горлышка бутылки, благодаря которой вода, масло или спирт будут течь максимально быстро. Ученые надеются, что их результаты помогут производителям упаковки создавать емкости идеальной формы.

https://ria.ru/20200408/1569761506.html?utm_referrer=https://zen.yandex.com/?from=special&utm_campaign=dbr&utm_source=YandexZenSpecial