Имитация открытия бутылки шампанского

Имитация открытия бутылки шампанского

между горлышком бутылки и пробкой образуется диск Маха

Выскакивание пробки из бутылки шампанского

Выскакивание пробки, закрывающей бутылку шампанского, однозначно представляет собой привлекательный прототип события повседневной жизни, которое предлагает удивительно богатое разнообразие действующих физических явлений. Экспериментальное исследование Лигера-Белэра, Кордье и Жоржа (Science Advances, 5(9), 2019, Недорасширенные сверхзвуковые струи CO2, замораживающие во время выскакивания пробки от шампанского) раскрывает удивительно сложное формирование расширяющейся газовой струи, выталкивающей пробку из только что открытой бутылки шампанского, создающей типичный хлопающий звук за счет излучения ударных волн.

В труде Liger-Belair et al. (2019) проведено сравнение конденсационных явлений, сопровождающих выскакивание пробок из бутылок, хранившихся при температуре 20 и 30С. Начальное соотношение свободного пространства к давлению окружающей среды намного превышало критическое соотношение, необходимое для достижения газовой смесью сверхзвуковой скорости 1 Маха (343 метра в секунду), в результате чего образовывались недорасширенные сверхзвуковые замерзающие струи CO2, выбрасываемые из горловины узких мест. Это вдохновило авторов заняться задачей численного решения этого процесса с должной детализацией. Конечная цель работы - дополнить экспериментальные результаты теоретическими предсказаниями, основанными на вычислениях высокого разрешения. С этой целью основное внимание при моделировании уделяется главным физическим механизмам, в то время как эффекты второстепенной важности, либо действующие в меньших пространственно-временных масштабах, либо такие как спонтанный фазовый переход, намеренно игнорируются.

Решение полученных уравнений Эйлера облегчается с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом Clawpack, основанного на обычной комбинации численного метода конечного объема Годунова и приближенного решения Римана Роу для гиперболических систем уравнений. Особое внимание уделяется обеспечению взаимодействия газа и пробки полностью неявным образом, а также стадии взаимодействия пробки и узкого места, инициирующей освобождение пробки. Конкретные усовершенствования позволяют с должной точностью решать возникающие сверхзвуковые карманы, связанные с удивительно сложными ударными структурами, а также взаимодействие газовой пробки. Экспериментальные усилия позволили смоделировать поведение трения, конститутивный закон и обратимое сжатие пробки.

Первоначально газ расширяется внутри узкого места, но закрывается пробкой и, следовательно, ускоряется газом, но замедляется сухим трением скольжения. Как только пробка проходит через отверстие бутылки, струя быстро приобретает локально сверхзвуковую скорость, при которой обнаруживается сложная картина ударной нагрузки. Особое внимание уделяется образованию и растворению одного или даже двух дисков Маха между отверстием и выпущенным стопором. Установлено, что эта смоделированная динамика довольно хорошо согласуется с недавними экспериментальными данными. Это также дает первое представление о возникновении типичного звука хлопка. В то время как взаимодействие жидкости со структурой приводит к тому, что результирующая сила давления ускоряет пробку в осевом направлении, трение скольжения замедляет сжатую пробку до тех пор, пока она не полностью пройдет через отверстие бутылки. Требуемое для этого поверхностное напряжение моделируется с помощью типичного закона гиперупругости для пробки, а параметры материала определяются в ходе собственных экспериментов. После того, как пробка полностью вышла из бутылки, ее радиальное расширение, смоделированное распространением упругих волн, приводит к тому, что ее геометрия в конечном итоге принимает первоначальный несжатый усеченный конус.

Наибольший интерес представляет то, что между горлышком бутылки и свободно перемещающейся пробкой образуется диск Маха. Первоначально он имеет выпуклую форму из-за радиально изменяющегося времени генерации ударной волны. Диск Маха достигает максимального расстояния от отверстия бутылки, а затем втягивается в сторону последнего. Более того, на этом этапе второй диск потенциально создается выше первого или отделяется от него. Это максимальное расстояние сильно зависит от входных параметров, в то время как время между полным освобождением стопора и его появлением, по-видимому, слабо зависит от начальных условий. Несмотря на хорошее качественное согласие между смоделированными и экспериментально найденными значениями, почти инвариантное смещение между измеренным и численно предсказанным временем возникновения диска заслуживает того, чтобы его разгадать.

Специалисты намеренно приняли высокие эталонные температуры 20 и 30C как предоставлено в работе Liger-Belair et al. (2019) для подтверждения своих результатов. С учетом вышесказанного, дальнейший прогресс требует измерения давления в запечатанной бутылке при гораздо более низких, приемлемых температурах, начиная от 5-10С. И последнее, но не менее важное: полученные результаты показывают, что определение положения диска Маха дает, что весьма примечательно, возможность определить либо давление газа, либо температуру внутри бутылки шампанского.

Лукас Вагнер (Lukas Wagner), Стефан Браун (Stefan Braun), Бернхард Шейхль (Bernhard Scheichl), Венский технологический университет, Австрия, опубликовали работу "Имитация открытия бутылки шампанского", Cambridge University Press, 11 января 2024.

27.01.2024