Une équipe de recherche de l'Institut de Recherche de Mécanique, MSU avec un collègue du Center of New Space Technologies, MAI a décrit le comportement d'une nappe liquide se propageant dans un espace ouvert. Les résultats de l'étude ont été publiés dans le Physique des fluides journal.

Dans des conditions normales, la stabilité des feuilles liquides dépend généralement de leur interaction avec l'air. L'effet prédominant (l'instabilité dite de Kelvin-Helmholtz) se manifeste en raison de la friction liquide-air. La différence des vitesses du gaz et du liquide entraîne l'apparition d'ondulations, vagues, et la formation de gouttelettes près de la surface du liquide. Les vagues générées par le vent à la surface de l'eau sont parmi les exemples les plus connus de cette instabilité. Les auteurs de l'article ont étudié le comportement d'une feuille liquide sous vide, lorsqu'aucune interaction avec l'environnement ne se produit. Dans l'étude, les auteurs ont considéré ce qu'on appelle l'huile sous vide, c'est-à-dire un liquide dont la viscosité, conductivité thermique, et les coefficients de tension superficielle varient sensiblement avec la température. De tels liquides sont utilisés dans les pompes à vapeur d'huile, entre autres.

L'étude du comportement des nappes liquides dans l'espace ouvert est pertinente pour le développement de nouvelles technologies de refroidissement des engins spatiaux. À l'avenir, les radiateurs dits de refroidissement par gouttelettes peuvent être utilisés pour contrôler le régime thermique des engins spatiaux de longue mission. Dans ces appareils, le liquide du système de refroidissement est fragmenté par des atomiseurs spéciaux et se transforme en une couche de gouttelettes de liquide se déplaçant dans l'espace ouvert. Comme la couche de gouttelettes a une grande surface rayonnante, la chaleur est libérée plus efficacement et le liquide est refroidi plus intensément. À la fois, un problème sérieux se pose, car ces gouttes doivent être collectées, liquéfié, et est revenu à bord du vaisseau spatial. Une des solutions possibles à ce problème est de collecter les gouttes refroidies sur une nappe liquide spécialement organisée. L'objectif principal de l'article est d'étudier la stabilité hydrodynamique d'une telle feuille dans les conditions d'espace ouvert.

« Les films et les feuilles liquides ont tendance à se briser en gouttelettes en raison de l'instabilité de Kelvin-Helmholtz, lié au frottement entre l'air et le liquide. Cependant, ce handicap est éliminé en open space; par conséquent, nous devons étudier d'autres mécanismes possibles d'instabilité et les raisons de la fragmentation des liquides. Nous avons déterminé quels autres types d'instabilités peuvent se produire dans les feuilles liquides lorsqu'elles se propagent sous vide, mais leur écoulement est considérablement non isotherme en raison du rayonnement thermique de la surface de la feuille, " a expliqué le professeur Alexander Osiptsov, co-auteur des travaux et responsable du Laboratoire de Mécanique des Milieux Multiphasiques, Institut de recherche en mécanique, MSU.

En utilisant les approches classiques de la théorie de la stabilité hydrodynamique, les chercheurs ont donné une explication mathématique du comportement présenté par une feuille d'huile sous vide dans l'espace ouvert. Il s'est avéré qu'en l'absence du mécanisme d'instabilité principal (Kelvin-Helmholtz), d'autres instabilités peuvent se développer, à savoir ceux associés aux gradients de viscosité et de tension superficielle. En raison du rayonnement thermique de la surface de la feuille, des différences de température apparaissent à la fois le long de la surface de la feuille et à l'intérieur de celle-ci. À son tour, ces gradients de température provoquent des non-uniformités dans la viscosité et la tension superficielle et l'apparition de nouveaux mécanismes d'instabilité.

Les scientifiques ont décrit l'apparition d'instabilités dans un écoulement de liquide du point de vue mathématique, étudié l'évolution des perturbations à ondes courtes et longues avec le temps, et déterminé le plus « dangereux » d'entre eux. Dans les travaux futurs, les scientifiques prévoient de poursuivre le développement du modèle théorique et de décrire des processus plus complexes pouvant se produire dans le système.

" A présent, nous n'avons étudié que le stade initial, c'est-à-dire le comportement de petites perturbations. Nous avons déterminé les conditions d'amortissement ou de croissance des perturbations et établi les critères d'instabilité. À l'avenir, nous devrons faire face à des problèmes plus complexes :étudier l'évolution des perturbations au stade non-linéaire, estimer les intervalles de temps sur lesquels se forment des zones d'épaisseur non uniforme de la feuille ou même des trous dans celle-ci, et pour trouver le taux de fragmentation de la feuille en gouttelettes. Et c'est le plus important, nous devons apprendre à contrôler le processus et à stabiliser le régime d'écoulement en nappe en espace ouvert, " a déclaré Osiptsov.