Пузыри широко изучались на протяжении веков, в том числе ранние работы Леонардо да Винчи, который, как известно, отметил синусоидальный подъем пузырьков в бассейне. Динамика роста пузырьков в горловине бутылки зависит от теплофизических свойств жидкости, геометрии бутылки и угла ее наклона. Эти неразрывно связанные параметры превратили динамику опорожнения бутылок в новый рубеж для физиков пузырей.
В статье «Физика жидкостей» от AIP Publishing Локеш Рохилла и Аруп Кумар Дас исследуют этот феномен опорожнения бутылки с точки зрения динамики пузырьков на коммерческой бутылке с помощью высокоскоростной фотографии.
Анализ изображений позволил им концептуализировать различные параметры, такие как толщина жидкой пленки, соотношение сторон пузырьков, скорость подъема и режимы опорожнения бутылок.
«Динамика пузырьков внутри бутылки слишком сложна для изучения, поэтому мы разделили межфазный рост пузырьков на разные стадии, чтобы понять их», – сказал Рохилла.
Хорошо известно, что время опорожнения бутылки сокращается, если вы увеличиваете угол ее наклона. Это увеличивает так называемую частоту защемления пузырьков, а относительное приращение зависит от теплофизических свойств жидкости.
«Наши эксперименты показывают, что существует критический угол наклона, после которого любое дальнейшее увеличение наклона бутылки не приведет к дальнейшему сокращению времени опорожнения бутылки», – сказал Рохилла. "Это происходит из-за насыщения пустот, пространства, занимаемого воздухом в окружающей жидкости, у горловины бутылки с углом наклона."
Были определены два различных режима опорожнения бутылок.
В одном режиме скорость разряда увеличивается из-за высокочастотного защемления пузырьков воздуха внутри бутылки. В другом режиме это вызвано увеличением объема оторвавшегося пузырька при сравнительно меньшей частоте.
«Мы также наблюдали инкапсулированный пузырь при выпуске жидкости из вертикально перевернутой бутылки», – сказал Рохилла. "У инкапсулированных пузырьков есть места защемления за пределами горлышка бутылки, вопреки интуиции. Наличие сильной эжекторной струи в невязких жидкостях, в которой жидкость становится тонкой из-за почти полного отсутствия внутреннего трения, и ее полное отсутствие в вязких жидкостях контролируют периодичность пузырьков."
Эта работа доказывает, что геометрия бутылки и теплофизические свойства играют роль в сокращении времени, необходимого для опустошения бутылки.
«Мы можем управлять схемой выгрузки бутылок, манипулируя геометрией бутылки», – сказал Дас. "Интуитивно понятный дизайн бутылки для конкретного продукта позволит лучше контролировать скорость ее разгрузки."
Производство напитков и химические заводы являются одними из областей применения, которые выиграют от лучшего понимания геометрии бутылок.