Представьте облачко воды из распылителя. Возле отверстия оно узкое и плотное, дальше расширяется; отдельные капли уже летят каждая по-своему. Форсунка раздробила воду и задала начальное движение. Казалось бы, осталось дождаться прилёта. Однако всё это происходит в воздухе, который тоже движется и взаимодействует с каплями. Поэтому измеренные у выхода размер и скорость описывают начало пути. Что окажется в рабочей зоне, ещё предстоит выяснить.
Полёт капли в потоке воздуха
Проследим за одной каплей. Воздух оказывает сопротивление её движению, и здесь важна скорость капли относительно газа. Воздух, летящий вместе с ней, создаёт иные условия, чем встречный или поперечный поток. В сопоставимых условиях мелкие капли легче подхватываются потоком; эту разницу вы узнаете в поведении крупных брызг и водяной пыли. Но из неё нельзя вывести правило «мельче — значит дальше». Нужно ещё знать начальную скорость, направление воздуха и то, успеет ли капля испариться по дороге.
Дробление, столкновение и испарение
Что удерживает каплю целой? Поверхностное натяжение стремится уменьшить площадь поверхности; поэтому небольшая свободная капля близка к шару. Газовый поток может её деформировать, а при достаточно сильном воздействии раздробить. Результат зависит от размера капли, свойств жидкости и газа, их относительной скорости. Фразы «воздух движется быстро» здесь мало: жидкости по-разному сопротивляются деформации. Дробление уже возникших капель называют вторичным; в современных моделях распыла его описывают отдельно. [2]
У двух встречных капель возможна другая судьба: они могут слиться в одну более крупную. Это коалесценция. Только встреча ещё не определяет исход: значение имеют скорость, смещение траекторий и свойства жидкости. В плотном облаке столкновения вероятнее, но нельзя поэтому объявить все капли более крупными. В одном участке факела одновременно могут идти дробление, слияние и расхождение капель после встречи. [3] Изменчивость факела приходится учитывать при описании процесса распыливания. [1]
Теперь добавим испарение. Капля воды может уменьшаться и без столкновений: часть её вещества уходит в воздух в виде пара. Процесс связан с температурой капли, количеством водяного пара вокруг неё и переносом пара от поверхности. При прочих равных сухой воздух позволяет воде испаряться интенсивнее, чем воздух, уже близкий к насыщению. Само испарение требует энергии, поэтому одновременно меняется тепловое состояние капли. В подходящих условиях возможен противоположный перенос, конденсация, при котором жидкость прибавляется. [4]
Что меняется между двумя сечениями факела
Теперь попробуйте сравнить два мысленных окна поперёк факела: одно у распылителя, другое дальше. Если во втором средний размер изменился, что вы узнали? Возможно, сами капли стали другими. Но изменилась и доступная наблюдению выборка: часть капель ушла в сторону, часть испарилась, крупные и мелкие двигались неодинаково. Поэтому разницу средних нельзя приписать каждой капле по отдельности. Чтобы разобраться в распыле, приходится следить и за превращениями капель, и за составом облака. Отдельный вопрос, что именно сообщает средний размер, тоже придётся задать: средние бывают разными.
Поэтому рядом с размером капель указывают место и условия измерения. В центре факела и у края картина может различаться; движение воздуха тоже меняет результат. Если вы сравниваете форсунки, важно договориться, где именно сравниваете их работу. Форсунка задаёт начало процесса, рабочая зона показывает то, что получилось после полёта. Между этими точками у капли хватает событий, чтобы прежние числа успели устареть.
