При распылении краски или покрытий на поверхность или удобрений или пестицидов на сельскохозяйственные культуры размер капель имеет большое значение. Более крупные капли будут меньше дрейфовать на ветру, что позволит им более точно поражать намеченные цели, но более мелкие капли с большей вероятностью прилипнут к поверхности при приземлении, а не отскочат от нее.
Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института нашла способ сбалансировать эти свойства и получить лучшее из обоих - спреи, которые не разлетаются слишком далеко, а создают крошечные капельки, которые прилипают к поверхности. Команда добилась этого на удивление простым способом, поместив тонкую сетку между распылителем и предполагаемой целью, чтобы разбить капли на капли размером всего в одну тысячную.
Выводы опубликованы сегодня в журнале Physical Review Fluids, в статье адъюнкт-профессора машиностроения Массачусетского технологического института Крипы Варанаси, бывшего постдока Дэна Сото, аспиранта Анри-Луи Жирара и трех других сотрудников Массачусетского технологического института и CNRS. в Париже.
Предыдущая работа Варанаси и его команды была сосредоточена на способах заставить капли более эффективно прилипать к поверхностям, с которыми они сталкиваются, а не отскакивать от них. Новое исследование фокусируется на другом конце проблемы - как заставить капли достичь поверхности в первую очередь. Варанаси объясняет, что обычно менее 5 процентов распыляемых жидкостей на самом деле прилипают к намеченным целям; из 95 или более процентов, которые тратятся впустую, примерно половина теряется в дрейфе и даже не достигает цели, а другая половина отскакивает.
Распылители - устройства, которые могут распылять жидкости в виде капель настолько маленьких, что они остаются взвешенными в воздухе, а не оседают, - являются важными частями многих промышленных процессов, включая покраску и нанесение покрытий, распыление топлива в двигатели или воды в градирни и печать мелкими каплями чернил. Новое достижение, разработанное этой командой, заключалось в том, чтобы сделать первоначальный спрей в виде более крупных капель, которые гораздо меньше подвержены влиянию бриза и с большей вероятностью достигнут своих целей, а затем создать гораздо более мелкие капли непосредственно перед тем, как они достигнут поверхности. поместив между ними сетчатый экран.
Хотя этот процесс может применяться во многих различных областях опрыскивания, «главным мотивом является сельское хозяйство», - говорит Варанаси. Сток пестицидов, которые не попадают в цель и падают на землю, может быть серьезной причиной загрязнения и растраты дорогих химикатов. Более того, воздействие более мелких капель с меньшей вероятностью повредит или ослабит определенные растения.
Фермеры уже покрывают некоторые виды культур тканевыми сетками для защиты от птиц и насекомых, пожирающих растения, поэтому этот процесс уже знаком и широко используется. Исследователи говорят, что подойдут многие виды сетчатых материалов, но важны размер отверстий в сетке и толщина материала, параметры, которые команда точно определила количественно с помощью серии лабораторных экспериментов и математического анализа. Для своих экспериментов исследователи в основном использовали широкодоступную и недорогую сетку из нержавеющей стали.
Исследователи предполагают, что после развертывания сетки над урожаем, либо непосредственно поддерживаемой стеблями растений, либо опирающейся на каркас, фермер может просто использовать обычный опрыскиватель, который производит более крупные капли, которые будут оставаться на курсе даже в ветреных условиях. Затем, по мере того как капли достигают растений, они разбиваются сеткой на мелкие капельки, каждая около десятой доли миллиметра в поперечнике, что значительно увеличивает их шансы прилипнуть.
В качестве дополнительного бонуса наличие сетки над посевами также может защитить их от повреждений во время ливня, а также разбить дождевые капли на более мелкие капли, которые меньше нагружают растение при попадании. Исследователи говорят, что при этом может быть уменьшен ущерб посевам от ураганов, которые в некоторых случаях могут серьезно снизить урожайность. Кроме того, более крупные капли вызывают большее разбрызгивание, что может привести к распространению болезнетворных микроорганизмов.
Помимо того, что этот процесс более эффективен, он также может уменьшить проблему переноса пестицидов, которые иногда переносятся с поля одного фермера на другое и даже из одного штата в другой, говорит Варанаси, а также иногда попадают в руки людей. дома. «Люди хотят это исправить. Они ищут решения».
Тот же принцип можно применить и к другим видам использования, указывает Жирар, например, для распыления воды в градирни, которые используются на электростанциях и многих промышленных или химических предприятиях. Использование сетки под распылительными головками в таких градирнях «может создавать более мелкие капли, которые быстрее испаряются и обеспечивают лучшее охлаждение», - говорит он. По его словам, эффективность охлаждения зависит от площади поверхности капли, которая на три порядка больше у более мелких капель.
В своей недавней работе Варанаси и его команда нашли способ восстановить большую часть воды, которая теряется из-за испарения из таких градирен, используя другой тип сетки на вершине градирен. Новое открытие может быть объединено с этим методом, что повысит эффективность электростанции как на входе, так и на выходе.
Для окраски и нанесения других видов покрытий чем мельче капли, тем лучше они покрывают и прилипают, говорит Жирар, поэтому этот процесс может улучшить качество и долговечность покрытий.
В то время как большинство существующих методов распыления полагаются на высокое давление, чтобы протолкнуть жидкость через узкое отверстие, что требует энергии для создания давления, этот метод является чисто пассивным и механическим, говорит Жирар.«Здесь мы позволяем мешу выполнять атомизацию практически бесплатно».
В команду входили Антуан Ле Хеллоко, Томас Биндер из Массачусетского технологического института и Дэвид Куэр из CNRS в Париже. Работа выполнена при поддержке программы MIT-France.