1.4. СЛИЯНИЕ КАПЕЛЬ

Вопрос о слиянии капель возник при экспериментах со струями жидкости, распадающимися на отдельные капли. Было замечено, что капли часто соударяются друг с другом, но не всегда происходит их слияние. Релей [479, 480] обнаружил, что при почти центральных соударениях капли несколько сплющиваются перед слиянием, а при скользящих соударениях между ними возникает перемычка, которая приводит к их слиянию. Если же слияние не

происходит, то перемычка разрывается, образуя мелкие капельки. Было высказано предположение, что процесс слияния капель заключается в продавливании воздушной прослойки в зазоре между ними почему-либо образовавшимся выступом. Электрические силы приводят к увеличению выступов и облегчают слияние капель.

М. А. Аганин [3] исследовал слияние капель радиусом от 0,5 до 1,2 мм с весьма тонкой пленкой воды, нанесенной на плоское зеркало. При углах встречи капли с зеркалом от 10 до 45° ее слияние с пленкой происходит во всех случаях, когда нормальная составляющая скорости к зеркалу превышает некоторую критическую величину, зависящую от размеров капель. Существует некоторое критическое значение заряда, обусловливающее слияние капель с пленкой воды при меньших скоростях соударения. Величина этого критического заряда пропорциональна радиусу капель. При зарядах, близких к критическим, между каплей и пленкой происходит образование перемычки, которая не образуется в их отсутствие. Условия образования перемычки определяются разностью потенциалов, свойствами воздушной прослойки между каплями и поверхностным натяжением. Он обнаружил, что потери воды через перемычку в первом приближении пропорциональны величине зарядов. Сходные результаты были получены при соударении капли с неподвижной каплей, выжимаемой из вертикально установленного капилляра.

Для выяснения причины неслияния капель летучих жидкостей Б. В. Дерягин и П. С. Прохоров [38] исследовали капли, находящиеся в длительном контакте друг с другом. Профиль зазора между каплями обнаружил довольно широкие «ворота», которые соединяли его внутренний объем с окружающим воздухом. Если окружающая капли атмосфера не насыщена, то в зазоре возникает некоторое препятствующее их слиянию избыточное давление паров, которые диффундируют через «ворота».

Линдблад [396] наблюдал время задержки слияния капель воды (время от начала сплющивания капель до их слияния) радиусом 6,5 мм, выдавливаемых со скоростью из вертикально расположенных трубок. Независимо от влажности воздуха, скорости соударения и разности потенциалов между каплями образовывался симметричный зазор, который не сообщался с окружающей атмосферой. Причину этого Линдблад видел в том, что вода принадлежит к менее летучим жидкостям, чем жидкости, использованные Дерягиным и Прохоровым. Время задержки слияния оказалось порядка сотен микросекунд. Оно несколько увеличивалось с увеличением влажности воздуха и уменьшением скорости соударения и в среднем составляло . С повышением разности потенциалов от 0 до 1 В происходило весьма быстрое уменьшение времени задержки слияния. Под действием электрических сил ширина зазора была в несколько раз меньше, а профиль — значительно более резко выраженным, чем при их отсутствии.

П. С. Прохоров и В. Н. Яшин [159] изучали зависимость слияния водяных капель радиусом 0,4 мм при соударении от влажности воздуха. Увеличение влажности воздуха увеличивало вероятность слияния капель. Такие же опыты при переменной влажности воздуха от 36 до 100% выполнили Н. П. Тверская и Н. П. Юдина [178]. Для капель как равного, так и близких размеров повышение влажности воздуха приводило к увеличению эффективности слияния. Увеличение скорости соударения приводило к уменьшению вероятности слияния, причем в большей степени для малой влажности воздуха.

Н. П. Тверская [177] исследовала зависимость эффективности слияния капель радиусом около 1 мм от их зарядов. На эффективность слияния капель заряды оказывают значительное влияние не только в случае, если они разноименные, но и если они одноименные. Эффективность слияния заряженных капель увеличивается с увеличением относительной влажности воздуха и уменьшением скорости их соударения. Н. П. Тверская указала на влияние электрических сил на поверхностное натяжение жидкости как на одну из причин, облегчающих слияние капель. Существует некоторая критическая разность потенциалов, при которой вероятность слияния капель данных размеров, соударяющихся с определенной скоростью, становится равной Различие между значениями разности потенциалов для вероятности слияния капель 100 и 0% составляет около 2 В.

Пламли (см. [511]) исследовал влияние разности потенциалов от 0 до 10 В на слияние капель при их сближении. Он обнаружил, что ток появляется еще до момента видимого слияния. Поэтому Пламли считает, что так как разность потенциалов невелика и не может вызвать пробой между каплями, то появление тока означает начало переноса массы и, следовательно, является начальной стадией слияния капель. Время от начала появления тока до видимого слияния можно считать временем задержки слияния. Оно обратно пропорционально разности потенциалов и имеет значение порядка долей миллисекунд.

Опыты Фрайера [301] показали, что электрическое поле напряженностью от оказывает заметное влияние на слияние капель радиусом около 5 мм. В этих опытах скорость соударения была пренебрежимо мала по сравнению с конечной скоростью падения капель таких размеров. Таким образом, в опытах Фрайера воспроизводились условия слияния при падении крупных капель близких размеров. Влажность воздуха соответствовала комнатной.

Исследования влияния электрического поля на вероятность слияния капель радиусом 1 мм при соударении с относительной скоростью около 0,5 м/с были выполнены Монтгомери и Доусоном [446]. Поле напряженностью от не оказывало заметного влияния на эффективность слияния капель, которая оказалась равной около Влажность воздуха в этих опытах была, по-видимому, далекой от насыщения.

Все рассмотренные выше эксперименты касались слияния крупных капель примерно равных размеров. Они представляют интерес для выяснения механизма слияния капель в кучево-дождевых облаках. Но особый интерес представляют процессы слияния капель облачных размеров. Именно здесь встречаются большие экспериментальные трудности; так, становится трудно отличать случаи слияния капелек от случаев, когда они проходят близко друг от друга без слияния. Поэтому основные сведения о коэффициентах эффективности слияния капель облачных размеров друг с другом и с крупными каплями получены на основании косвенных данных.

Свинбенк [537], наблюдая капельки радиусом в несколько микрометров, пришел к выводу, что при их соударении слияние не происходит. Он пытался обосновать это следующим образом. В начальный момент слияния капель происходит некоторое увеличение их поверхности, что равносильно существованию некоторого энергетического барьера. Если кинетическая энергия соударения капель меньше величины этого барьера, то слияние не может произойти. Однако Браун и Хадсон [247] на основании геометрических соображений пришли к выводу, что такой барьер не существует. Причина отсутствия коагуляции в опытах Свинбенка [537] заключается, по-видимому, в том, что соударений между капельками не было.

Из согласия между данными опытов Ганна и Хитчфельда [320] и вычислениями коэффициентов эффективности соударения по Лэнгмюру вытекает, что коэффициент эффективности слияния капель радиусом 1,6 мм с капельками радиусом до 50 мкм в условиях насыщения равен единице. Эти данные были получены с капельками, образующимися в результате как испарения нагретой воды, так и разбрызгивания, при котором они электризуются. Так как коэффициент эффективности слияния не может превышать единицу, то это не позволило обнаружить влияние зарядов, образующихся при разбрызгивании воды.

Согласно М. А. Химач и Н. С. Шишкину [193], коэффициент эффективности слияния капель радиусом от 25—30 до 400- 500 мкм с капельками радиусом от 5 до 15 мкм близок к единице. Они получили значение для тумана, создаваемого испарением в камере объемом около т. е. в условиях насыщения.

П. С. Прохоров и Л. Ф. Леонов [158] исследовали влияние влажности на слияние капель радиусом в основном от 2 до 22 мкм. Капли создавались конденсацией водяного пара. Они пришли к выводу, что -ная эффективность слияния капель возможна только в условиях насыщения или перенасыщения, тогда как при недонасыщении она становится меньше.

Кинцер и Кобб [361] получили согласие между вычислениями по Лэнгмюру и экспериментальными данными о соударении капель радиусом от 150 до 500 мкм с капельками, спектр которых характеризовался максимумом повторяемости капелек радиусом

около 5 мкм, а максимальный радиус превышал 18 мкм. Следовательно, коэффициент эффективности слияния капель был близок к единице. Подтверждением этого является отсутствие зависимости скорости роста капель от зарядов капелек, которая была бы, по-видимому, обнаружена, если бы коэффициент эффективности слияния не был равен своему максимальному значению.

В опытах Джаяратне и Мейсона [350] капельки падали на плоскую поверхность дистиллированной воды. При почти вертикальном надении капельки поглощались за 1 мс и теряли примерно 95% своей кинетической энергии, которая расходовалась на образование кратера и капиллярных волн на поверхности воды. Капельки радиусом 150 мкм, имеющие нормальную скорость соударения 1 м/с, сливались с поверхностью, если их заряд превышал или напряженность поля превышала При слиянии капельки, обладающей критическим зарядом, с поверхностью из последней вырывалась струя значительно более мелких капелек, а при больших зарядах происходило только слияние, без вырывания капелек. Авторы считают, что действие электрических сил сказывается в локальном вытягивании капли в зазоре, прорыве воздушной прослойки и микроразряде. Опыты проводились в условиях, близких к нормальным.

Гойер и др. [316] исследовали влияние электрического поля на коагуляцию заряженных капель. Струя воды попадала в пространство между дисками, верхнему из которых сообщался потенциал от 0 до 12 кВ, а нижний был заземлен. При разрушении струи получались капли радиусом около 350 мкм и некоторое количество мелких капель радиусом около 50 мкм, которые соударялись между собой. Гойер и его сотрудники определили процент слившихся капель от числа капель, ударившихся друг о друга, т. е. коэффициент коагуляции.

Из табл. 8 следует, что в опытах авторов [316] заряды капель возникали в результате влияния электрического поля, так как между обеими величинами обнаруживается прямая пропорциональность.

Таблица 8 (см. скан) Заряды капель при верхнем диске, заряженном положительно

Согласно табл. 9, коагуляция при отсутствии электрического поля и малых одноименных электрических зарядах происходит

примерно в 30% случаев соударения капель. Слабое поле при небольших зарядах приводит к некоторому увеличению коэффициента коагуляции. Увеличение напряженности поля примерно до вызывает увеличение коэффициента коагуляции почти до Дальнейшее увеличение напряженности поля приводит к уменьшению коэффициента коагуляции до нуля при напряженности поля около Подобные результаты были получены и для капелек радиусом 47,5 мкм.

Таблица 9 (см. скан) Зависимость коэффициента коагуляции от напряженности поля для капель радиусом от 300 до 325 мкм, соударяющихся с каплями радиусом 50 мкм. По Гойеру и др. [316]

Условия в экспериментах Гойера далеки от естественных. В первую очередь это несоответствие скоростей падения капель их установившимся скоростям и необычайно большие заряды на каплях. Последним обстоятельством, по-видимому, объясняются нулевые значения коэффициента коагуляции в сильных полях. В таком случае взаимное отталкивание превалирует над притяжением, обусловленным действием поля.

Более близкими к естественным условиям являются опыты Ганна [328], который исследовал слияние капель в электрическом поле при свободном падении со скоростями, близкими к установившимся. Если капли радиусом около 1 мм при соударениях с относительной скоростью меньше отражаются друг от друга, то в поле напряженностью около силы отражения преодолеваются электрическими силами и происходит слияние. Ганн указывает, что такой же эффект вызывают заряды на каплях, но, к сожалению, не приводит их значения.

Мур и др. [447] повторили опыты Релея по влиянию электрического поля на слияние капель. Поля напряженностью значительно повышают вероятность слияния нейтральных капель диаметром в несколько сотен микрометров. Напряженность поля, которая требуется для того, чтобы каждое соударение сопровождалось слиянием, изменяется обратно пропорционально их радиусу.

В опытах Вудса [578] была обнаружена линейная зависимость вероятности слияния разноименно заряженных капелек одинаковых размеров радиусом до 40 мкм от величины зарядов. Эта закономерность выполнялась для зарядов, больших Для

одноименно заряженных капелек наблюдалось уменьшение вероятности их слияния.

В экспериментах Адама и др. [210] капли примерно одинаковых размеров (радиусом от 60 до 500 мкм) сталкивались друг с другом со скоростями от 1 до 8 м/с. При скоростях соударения до 2,2 м/с всегда происходило слияние капель радиусом с образованием одной устойчивой капли. При скоростях более 8 м/с наблюдалось дробление капли, образовавшейся после слияния. В этих пределах скоростей соударения заряды капель до не оказывали заметного влияния на вероятность их слияния. По-видимому, при больших скоростях соударения капель влияние электрических сил на слияние не является доминирующим.