От дождя на машину на окна: защита от дождя, комфорт и привлекательность автомобиля

²

LadHyX, UMR 7636, CNRS, Ecole polytechnique,

^* электронная почта: [email protected]

Поступило:
24
июнь
2018 г.

Принято:
11
Февраль
2019 г.

Аннотация

В данной статье исследуется начальное движение капель дождя на боковом стекле автомобиля. Дается объяснение обычного наблюдения капель, поднимающихся в окно, когда автомобиль достигает заданной скорости, с учетом размеров капель и скорости ветра. Мы также обсуждаем важность фактической геометрии окна, состояния поверхности и распределения капель по размерам.Таким образом, эта работа может быть использована в качестве основы для полного изучения совокупности капель на стекле автомобиля.

Ключевые слова: падение / траектория / автомобиль / ветер / прилипание

© J. André et al., Опубликовано EDP Sciences, 2019

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что оригинальная работа правильно процитировано.

1 Введение

Вы, вероятно, уже заметили загадочное явление, управляя автомобилем под дождем: капли дождя на боковых окнах движущегося автомобиля могут принимать широкий спектр поведения и траекторий, как показано на рисунке 1, некоторые из них остаются. в покое, в то время как другие имеют тенденцию двигаться либо вниз, либо вверх. Цель этого исследования — выявить эти различные режимы поведения и объяснить наблюдаемые траектории.

Движение капель дождя на автомобиле представляет огромный интерес, поскольку, если они прилипают к стеклу, они ограничивают видимость через окно, что может вызвать проблемы с безопасностью.Поэтому эта тема очень интересна в автомобильной сфере. Другой предмет, важный для проблем видимости и довольно близкий к динамике капель на окне автомобиля, — это образование и стабильность тонких пленок и ручейков, таких как локализованные каналы, наблюдаемые на рисунке 1. Этот предмет уже был тщательно изучен [1 –4] и не будут рассматриваться в данной статье.

Динамика капель на плоской поверхности исследовалась обычно в более простых условиях: отдельно рассматривалось влияние силы тяжести [5] и силы сопротивления [6,7].Подробное исследование параметров силы сопротивления можно найти в [1]. Конкретная проблема автомобильного окна также связана с аэродинамическими эффектами, такими как боковые вихри, которые были тщательно изучены в [8]. Вопрос о падении на боковое стекло автомобиля изучался в [9,10], где упор был сделан на удаление капель со стекла для улучшения видимости. Однако ни одно из этих исследований не касалось определения траектории капель.

В этой статье мы сосредоточимся на траекториях капель дождя, когда они окажутся на боковых окнах, где должны быть приняты во внимание все силы, упомянутые выше.Сначала мы представляем наш метод моделирования динамики капли, испытывающей гравитацию, силы сопротивления и силы капиллярности (из-за взаимодействия капли с поверхностью). Затем предоставляются экспериментальные результаты, которые позволяют нам проверить модели и объяснить различные режимы, наблюдаемые на окне автомобиля. Наконец, мы обсудим, как нашу модель можно использовать в качестве основы для изучения всей совокупности капель на окне автомобиля, где геометрия автомобиля, обработка поверхности и слияние капель играют решающую роль.

2 метода

Гипотеза: мы рассматриваем падение одной капли на боковое стекло автомобиля.Мы предполагаем, что автомобиль движется с постоянной скоростью по прямой (чтобы его можно было рассматривать как инерциальную систему отсчета) и что у нас есть доступ к локальному ветру на окне автомобиля (значение и направление).

Затем мы собираемся найти:

• условия, необходимые для выбивания капли;

• направление, принятое каплей после смещения;

• условия, заставляющие его траекторию иметь восходящую составляющую.

2.1 Силы, действующие на падение

На эту каплю действуют разные силы: вес, сила сцепления окна, сила сопротивления, создаваемая ветром, и сила сдвига внутри капли. В нашей ситуации сила сдвига внутри капли при ее деформации незначительна, поскольку капля деформируется медленно и поэтому может считаться квазистатической. Пока капля находится в состоянии покоя, в плоскости окна существует механическое равновесие. Таким образом, имеется:, где обозначает касательный к плоскости единичный вектор, направленный вниз.Рисунок 2 суммирует ситуацию.

2.2 Выбивание капли

Чтобы выбить каплю, сила сцепления должна преодолеваться двумя внешними силами. Это дает общее условие скольжения: (1) где α обозначает угол наклона плоскости. Мы начали с рассмотрения двух более простых случаев, в которых роль играет только одна внешняя сила из двух: сначала вес, затем сила сопротивления, которые обе могут привести к смещению капли.

2.3 Влияние веса: теоретический прогноз

В следующей части моделируется конкуренция между весом и силами сцепления при нулевой скорости ветра.Выражение веса хорошо известно: P = Ω ρ
_вода г с Ω объем капли, ρ
_вода, плотность воды и г, плотность. Чтобы вывести модель силы сцепления, нам нужно объяснить, почему капля может удерживаться на наклонной плоскости.

Хотя неподвижная капля на горизонтальной плоскости имеет идеально симметричную форму, она деформируется и становится асимметричной, если наклонить плоскость: угол смачивания изменяется по периметру капли, см. Рисунок 3.Макдугалл и Окрент [11], а затем Фурмидж [5] разработали простую модель, чтобы объяснить это: капля может деформироваться, чтобы минимизировать свою энергию при воздействии внешней силы (например, веса или сопротивления ветра) и капиллярных сил, прилипающих к ней. поверхность; асимметрия краевых углов позволяет капле удерживаться на наклонной плоскости. Деформация капли ограничена. Когда угол контакта спереди достигает максимального угла θ

, затем линия соприкосновения продвигается: θ

_{Таким образом,} определяется как угол опережения.С другой стороны, когда угол контакта сзади достигает минимального угла θ
_r
, контактная линия втягивается, поэтому θ
_r
определяется как отступающий угол. Капля начнет скользить, когда θ
_r
и θ

достигаются с двух противоположных сторон обрыва, см. Рис. 3.

Согласно Фурмиджу, максимальная сила сцепления может быть смоделирована в первом порядке как, где γ, — поверхностное натяжение воды, а D — диаметр капли.Эта максимальная сила сцепления достигается, когда капля наиболее асимметрична, и после этого она начинает скользить.

Следовательно, непосредственно перед скольжением механическое равновесие капли по плоскости с максимальным наклоном α
_с
читает: P sin α
_с
= F
_{объявление} . Это дает нам связь между этим наклоном и объемом капли Ω: (2)

2.4 Влияние веса: экспериментальная установка

Для первой серии экспериментов мы использовали акриловую доску (сделанную из полиметилметакрилата) в качестве подложки для капель, которую мы очистили этанолом, чтобы сделать эксперимент воспроизводимым.С помощью -пипетки мы впрыснули на плоскость каплю известного объема Ω (от до). Сфотографировав его сверху, мы получили доступ к капле диаметром D (примерно от 4 до 10 мм). Затем медленно наклоняли плоскость (при этом проекция груза на плоскость увеличивается) до угла α
_с
, куда скользит капля. Угол скольжения α
_с
теоретически может изменяться от 0 ° (супергидрофобное поведение) до 90 ° (капля застревает на поверхности под любым углом α ).

2.5 Выталкивание капли силой сопротивления: теоретический прогноз

В следующей части мы исследуем влияние ветра, дующего на горизонтальную плоскость, где лежит единственная капля объема Ω. Равновесие достигается аналогично ситуации, когда капля испытывает силу тяжести: силы адгезии уравнивают силу сопротивления до максимальной деформации капли. Когда сила сопротивления увеличивается сверх максимальной силы сцепления, капля начинает скользить в направлении, наложенном ветром.Теперь мы хотим получить непротиворечивую оценку силы сопротивления.

Сначала рассмотрим пятно на расстоянии x от края плоскости под ветром, дующим горизонтально. Число Рейнольдса с ν

кинематическая вязкость воздуха при x ≈ 10 см от края плоскости и со скоростью воздуха составляет примерно 10 ⁴ . Для такого высокого числа Рейнольдса толщина пограничного слоя δ ( x ) следует с хорошим приближением закону, установленному Прандтлем [12]:.Это дает δ ( x ) ≈0,5 мм на расстоянии x ≈ 10 см от края плоскости. Если на этом месте находится капля диаметром D ≈ 1 см, как мы имеем D / δ >> 1, мы можем считать локальную скорость ветра u на капле однородной.

Поскольку число Рейнольдса обтекания капли велико по сравнению с 1, выражение силы сопротивления, таким образом (как можно найти в [13]), составляет C
_x
коэффициент горизонтального сопротивления, не зависящий от Re, связанный с геометрией капли, ρ

объемный вес воздуха и S поверхность капли, спроецированная на плоскость, перпендикулярную направлению ветра.

Наконец, равновесие силы сцепления и силы сопротивления дает: (3)

, из которого мы можем определить скорость ветра u _с , необходимую для того, чтобы заставить заданный неподвижный объект скользить по горизонтальной плоскости: (4)

2.6 Выбивание капли силой сопротивления: экспериментальная установка

Для этой второй серии экспериментов мы использовали ту же акриловую доску, что описана выше, в горизонтальном положении. Мы впрыснули капли заданного объема Ω и измеренного диаметра D (соответственно между и и от 3 мм до 11 мм) на плоскости.Затем мы включили вентилятор и увеличили скорость ветра, пока капли не начали скользить. Скорость ветра варьировалась от максимального значения до. Воздуходувка имела точность, см. Рис. 4.

2.7 Направление падения после смещения: теоретический прогноз

Теперь предположим, что капля была смещена под совместным действием силы тяжести и ветра, как показано на рисунке 2. Сила адгезии — это сила противодействия, имеющая то же направление, что и сумма внешних сил. Таким образом, падение следует за направлением результирующей глобальной силы, которая находится в направлении. Чтобы получить доступ к углу β , взятому у капли, мы можем спроецировать на плоскость, что дает: (5)

Предельные случаи этой общей формулы легко проверить: ситуация без ветра ( F
_Вт
= 0) дает cos β = 1, что означает, что падение следует за весом; ситуация с горизонтальным окном ( α = 0) дает cos β = cos β
_Вт
, что означает, что капля скользит по направлению ветра.

Капля будет двигаться вверх, если 90 ° ≤ β ≤ 180 °, что означает. Следовательно, условие восходящей траектории, задаваемое уравнением (6), выражается следующим образом: (6)

Поскольку α берется между ₀ ° и 90 °, это условие дает cos β
_Вт
≤ 0, что соответствует интуитивному условию, что ветер должен иметь вертикальную составляющую, направленную вверх.

2.8 Направление сброшенной капли: экспериментальная установка

Акриловая плита была помещена вертикально перед воздуходувкой, поэтому угол наклона составлял α = 90 °.Направление ветра сохранялось горизонтальным на протяжении всего эксперимента ( β
_Вт
= 90 °). Мы помещаем каплю известного объема Ω, достаточно маленькую, чтобы она держалась в вертикальной плоскости: первый раунд испытаний проводился с каплями, а второй — с каплями. Для увеличения контраста использовалась цветная вода. Мы внезапно позволяем ветру дуть с заданной скоростью и , достаточно сильной, чтобы сбить падение (с 12 до). Снимая видео перед самолетом, мы имели доступ к траектории падения, точнее к углу β траектории падения, сделанной по вертикали.Одну покадровую фотографию, полученную из видео, можно увидеть на Рисунке 5.

Уравнение (5) превращается в частном случае этой установки или в его эквивалентной форме: (7)

2.9 Общее состояние

Наконец, необходимо выполнить два условия, чтобы увидеть падение на окно автомобиля:

3 Результат

3.1 Сила сцепления

Экспериментальные данные для угла α
_с
, необходимые для выбивания данной капли, показаны на Рисунке 6.

Мы заметили большую вариативность результатов. Некоторые капли, кажется, застревают на неровностях поверхности, что позволяет им оставаться на более высоком наклоне. Об этом эффекте мы поговорим позже.

Мы наблюдали два основных режима: для капли объемом больше примерно, капля скользит, когда угол α
_с
≤ 90 ° достигается. Напротив, меньшее падение сохраняется, даже когда самолет достигает вертикального положения. Такая капля вообще не скользит под собственным весом, поэтому мы не можем определить угол скольжения α
_с
; поэтому эта ситуация не представлена ​​на графике.Однако мы рисуем вертикальную линию, чтобы усилить смену режима при предельном размере.

Для капель, достаточно больших, чтобы скользить, мы действительно видим четкую зависимость наклона α
_с
от объема капель Ω, как предсказано в уравнении (2): более крупные капли начинают скользить при меньших углах наклона.

3.2 Сила сопротивления при падении

Изучая минимальную скорость воздуха, необходимую для смещения данной капли объема Ω, мы наблюдаем, что более крупные капли имеют тенденцию смещаться при более слабой скорости ветра, см. Рис. 6. Для каждой точки данных объема мы проверили три капли. Что касается эксперимента по адгезионным силам, можно заметить большие погрешности на графике, которые связаны с распределением адгезионных сил, создаваемых поверхностными дефектами.

3.3 В вертикальной плоскости — вес и ветер

На рис. 6 показаны экспериментальные данные для направления β , снятые каплей объема Ω, помещенной на вертикальной плоскости перед воздуходувкой, в зависимости от скорости ветра и . Как предусмотрено в методе , метод с уравнением (7), чем сильнее дует ветер, тем больше падение имеет тенденцию следовать направлению ветра (то есть β приближается к 90 °).

4 Обсуждение

4.1 Законы масштабирования

В следующих параграфах мы хотим упростить уравнения первого раздела до законов масштабирования, надеясь, что это поможет понять зависимость минимальной скорости ветра u
_с
, максимальный наклон α
_с
и направление движения β относительно различных параметров. Следовательно, нам необходимо соотношение между объемом Ω, поверхностью проекции S и диаметром D капли, лежащей на плоскости.

Мы оцениваем в первом приближении, что капли достаточно малы, чтобы их можно было рассматривать как полусферы диаметром D . Таким образом, ожидается объем, пропорциональный D .
³ и проецируемая поверхность как D
² . Мы налили капли известного объема и измерили диаметр, сделав снимки сверху. На рис. 7 показано полученное нами соотношение между диаметром и объемом капли.

Экспериментальные данные хорошо согласуются с приближением Ω = aD
³ (для — безразмерная геометрическая постоянная), если перепад не слишком велик.Когда капля примерно в пять раз превышает длину капилляра L
_с
≈ 2,7 мм, растекание капли под собственным весом немаловажно. Его ширина становится намного меньше радиуса, модель полусферы перестает действовать. Это объясняет, почему точки далеки от аппроксимации Ω = aD
³ . Таким образом, наша простая аппроксимация полусферических капель точна для объемов, меньших, чем тот, который мы использовали в наших экспериментах. В следующих моделях мы теперь оцениваем это: (8)

4.2 Интерпретация результатов в законах масштабирования

4.2.1 Сила сцепления

Мы можем переписать уравнение (2), полученное в разделе 2, более удобным способом:

Фактор обусловлен только взаимодействием воды и материала самолета, используемого для эксперимента.В ходе нашего эксперимента она считается фиксированной константой, поскольку каждый раз мы использовали одну и ту же плоскость. Используя соотношение (8) между объемом и диаметром и обозначая длину капилляра, мы получаем следующий закон масштабирования: (9)

График зависимости от, как показано на рисунке 8, показывает ожидаемую линейную зависимость. Этот закон масштабирования (9) указывает на то, что выражение силы адгезии как силы, пропорциональной диаметру капли, имеет значение.

4.2.2 Сила сопротивления

Еще раз, мы можем упростить теоретическое уравнение (3), полученное в разделе 2, до закона масштабирования.Как выражение для скорости ветра u
_с
, необходимого для выбивания капли объема Ω по горизонтальной плоскости, получаем: (10)

Теперь мы можем снова построить наши данные в соответствии с уравнением (10) и проверить, что у нас есть линейная связь между и Ω ^−1/3 . Рисунок 8 показывает, что наши данные согласуются с линейным законом. Следовательно, наше выражение для силы сопротивления, пропорциональной проектируемой поверхности капли, подтверждается.

4.2.3 Направление

β при горизонтальном ветре

Для проверки соотношений, полученных на вертикальной плоскости при сильном горизонтальном ветре, уравнение (7) можно упростить. Используя определенные выше выражения для силы сопротивления и веса в законах масштабирования, он дает: (11) где — приведенное ускорение. Коэффициенты сопротивления капель приведены в [1] и оцениваются в 0,1–0,2 для капли воды на плоской поверхности. Для коэффициента аэродинамического сопротивления C
_x
= 0.15 у нас есть. Таким образом, мы строим в соответствии с соотношением и .
² Ом ^−1/3 / г
^* на рисунке 8.

Соотношение действительно линейное, как и предсказывает закон масштабирования (11). Этот закон масштабирования является еще одним аргументом в пользу глобальной зависимости (5), которая дает направление капли в зависимости от ее объема и скорости ветра.

4.2.4 На модели

в сборе

Индивидуальное движение капли, осаждаемой на плоскости, кажется, довольно хорошо описывается изложенной выше теорией: ветер и гравитация конкурируют с силой адгезии, заставляя каплю двигаться.Начальное направление падения тогда задается глобальным соотношением (11) между углом движения β и отношением.

При заданном значении горизонтальной скорости ветра, скажем, капли меньшего диаметра не будут отделяться, капли между и диаметром будут иметь начальное направление ближе к ветру ( β > 45 °), в то время как капли большего диаметра будут более чувствительными. к гравитации ( β <45 °). Ведь предел для большей чувствительности к ветру составляет, что является случаем большинства падений на окно автомобиля.

Для капли фиксированного объема (скажем) траектория в основном будет следовать за ветром ( β > 45 °), только если. Эти цифры получены после подгонки, показанной на Рисунке 8, с числовыми значениями на акриловой доске.

Отсюда мы можем определить свойства фактического движения капель дождя на боковом стекле автомобиля. Можно отметить две основные тенденции:

• Зависимость от объема капли : общая тенденция, проистекающая из уравнений (9) и (10), заключается в том, что более мелкие капли имеют тенденцию больше прикрепляться к окну, чем более крупные.Более крупные капли легче сбить, чем более мелкие, и их траектория более подвержена влиянию веса. Действительно весы на D
  ³ , поэтому она растет быстрее, чем сила сопротивления, которая масштабируется в D
  ² и чем сила сцепления (пропорциональная D ). Объем капли, таким образом, играет решающую роль в проблеме, поскольку он определяет как переход между статическим и динамическим поведением, так и направление, принимаемое каплей при приведении ее в движение.

• Зависимость от скорости автомобиля : мы провели эксперименты, чтобы оценить важность скорости и ветра, действительно толкающего каплю. Этот параметр имеет решающее значение наравне с объемом, поскольку он влияет как на отслоение, так и на направление падения. Скорость и растет со скоростью автомобиля в реальной ситуации, но для более точной корреляции потребовалось бы расширенное численное моделирование вихрей на стекле автомобиля, что далеко от нас.

4.3 Тупики

Можно расширить модель до полного описания совокупности капель на окне автомобиля. Такое описание должно удовлетворительно учитывать следующие моменты, которые наша модель не может точно учесть.

4.3.1 Влияние типа поверхности и обработки

При записи уравнения (2) мы рассматриваем коэффициент как безразмерную константу, зависящую только от химических взаимодействий между поверхностью и каплей, которая не играет никакой роли в следующих законах масштабирования [Ур.(9) и (3)]. Тем не менее, конечно, масштаб этого фактора играет заметную роль в движении капли. Действительно, уравнение (2) утверждает существование минимального объема, в котором капли воды могут отделяться под действием силы тяжести, в зависимости от природы поверхности и обработки.

Мы провели эксперименты и проверили нашу модель акрилом. Примечательно, что такой же закон справедлив и для других поверхностей. Мы проверили это экспериментально с обычным стеклом, как показано на рисунке 9. Это позволяет нам распространить выражение силы адгезии на любую идеальную поверхность, от обычного стекла до автомобильного стекла или стекла, обработанного как гидрофобное, как может быть в случае с роскошным автомобилем.Только коэффициенты пропорциональности могут изменяться от одной поверхности к другой, если не учитывать несовершенства.

Были разработаны сложные модели краевых углов, а именно де Жен [14] и Кокс [15], которые количественно связывают краевые углы со свойствами жидкости и размером линии контакта капли с поверхностью. Однако эти вариации не влияют на физику, которую мы представили.

Износ поверхности также может играть важную роль в поведении капель.Как упоминалось в разделе 3, мы отметили, что дефекты, такие как царапины миллиметрового размера на поверхности, могут заставить капли прилипать под более сильными внешними ограничениями (весом или сопротивлением). Действительно, геометрия зоны контакта между каплей и плоскостью изменяется из-за наличия рубца, и поверхность контакта обычно увеличивается. Поскольку нет идеально гладкой поверхности, размер линии контакта дефектов с каплей является критическим параметром для механизмов пиннинга и депиннинга, как было исследовано Пакстоном и Варанаси в [16].

4.3.2 Распределение капель по размеру и слияние

Мы сосредоточили наше исследование на движении отдельной капли на стекле автомобиля. Для лучшего понимания глобальных явлений, показанных на рисунке 1, необходимо принять во внимание влияние других капель.Наличие капли на пути первой капли сопоставимого размера повлияет на ее направление: две капли соприкоснутся и сольются. Поскольку образовавшаяся капля увеличилась в размере, вес приобретает большее значение по сравнению с сопротивлением ветра (он масштабируется в D
³ , поэтому увеличивается быстрее, чем сила сопротивления, которая масштабируется в D
² ): капля стремится вниз. Более того, траектория капель внезапно движется вверх и вниз (даже если всего на несколько мм), в то время как они сливаются с окружающими каплями, что создает хаотичное поведение.Модель динамики сливающихся капель можно найти в [1].

Было бы интересно получить доступ к распределению капель по размеру окна. Хотя модели размера капель дождя существуют давно (см., Например, [17]), это, к сожалению, непростая задача. Однако мы можем дать простую идею: чем быстрее движется машина, тем сильнее местный ветер и тем меньше капли остаются на стекле. Кроме того, капли имеют тенденцию разбрызгиваться более сильно, когда они ударяются о автомобиль на более высоких скоростях, что также может увеличить долю мелких капель на стекле при высоких скоростях движения автомобиля.

Кроме того, некоторые части окна мокрые, покрытые тонким слоем воды или ручейком. Падение капли по такой влажной поверхности энергетически интересно, поскольку границы раздела стекло / вода и вода / воздух уже существуют. Как упоминалось во введении, мы не затрагивали эти аспекты в данной статье.

4.3.3 Обтекание автомобиля воздухом

Автомобили имеют очень разные формы, и это оказывает большое влияние на воздушный поток и, следовательно, на местный ветер, влияющий на размер окна.Вот почему глобальное поведение падений на одну машину может отличаться от падений на другую машину и полностью отличаться от падений на грузовиках.

Влияние геометрии автомобиля было изучено Жильероном и Куртой [8]. Он показал, что на обычных автомобилях на стыке лобового и бокового стекла образуется вихрь. Какой бы ни была модель автомобиля, этот вихрь всегда имеет одно и то же направление вращения, что дает положительную составляющую скорости ветра на боковом стекле.Это причина, по которой можно увидеть, как некоторые капли поднимаются против силы тяжести: действительно есть области окна с сильным восходящим ветром.

Как показано на фотографии эксперимента на Рисунке 10, направление ветра в окне неоднородно. Его значение зависит также от положения выпадающего окна и от рассматриваемой модели автомобиля.

Основная трудность, с которой пришлось столкнуться при дальнейшем развитии нашей теории, заключалась в точной оценке ветра вдоль окна автомобиля. Сначала мы попытались измерить зависимость между величиной восходящего ветра и величиной скорости автомобиля с помощью анемометра.Мы получили ожидаемую грубую корреляцию между ними: скорость ветра увеличивается, когда автомобиль движется быстрее. Однако размеры анемометра (несколько дециметров) не в последнюю очередь незначительны, учитывая число Рейнольдса потока. Следовательно, наличие самого устройства изменяет геометрию потока. Это мешает нам получить точные измерения восходящего потока против автомобиля, тем более что мы были вынуждены открыть окно на небольшом участке, чтобы удерживать анемометр.Затем мы попытались смоделировать уравнения Навье – Стокса с помощью программного обеспечения Computing Fluid Dynamic, но нам не удалось получить достаточную точность, чтобы предсказать образование вихрей, изученных в литературе [8].

Еще один шаг, который мог бы учесть неустойчивые траектории популяции капель, — это принять во внимание модификацию потока, вызванную каплей (как экспериментально исследовано в [18]), при проведении моделирования. Однако это опять-таки далеко от нашей досягаемости.

5 Заключение

Настоящая работа дает основу для дальнейшего изучения движения совокупности капель на боковом стекле автомобиля.Мы разработали простую модель, учитывающую вес, силу сопротивления и силу контакта, которым подвергается одна капля, застрявшая на плоскости. Применение уравнений движения дало согласованные экспериментальные результаты относительно начального направления капли. Мы явно показали зависимость движения от основных параметров задачи: объема и диаметра капли, которые мы рассматривали как единый параметр в первом приближении, и скорости ветра против окна.

Мы показали, что существуют три различных режима для фиксированных условий скорости ветра.Например, на акриловой доске, если маленькие капли () будут прилипать к поверхности и не двигаться, капли среднего размера () в основном будут следовать за ветром, а большие капли () будут более чувствительны к гравитации, чем к ветру.

Мы также показали, что параметры отсоединения могут изменяться из-за состояния поверхности окна.

Имея карту ветра на окне, размер и начальное положение отдельной капли, наша модель должна быть способна предсказать ее траекторию, предполагая квазистатическое движение, посредством двухточечного приближения.Полная проблема движения капель дождя будет объектом будущих исследований: учитывая распределение капель по размеру на окне, местный наклон плоскости, на которой стоит каждая капля, и полное поле скорости ветра против машины, позволит дальнейшие исследования для изучения движения целой популяции капель на боковое окно. Это позволит оптимизировать как обработку поверхности, так и геометрию окна для более быстрого удаления капель.

Благодарности

Эта работа основана на одной из задач, предложенных в Международном турнире физиков (IPT) 2018 г., открытом для студентов научном конкурсе.Проблема была сформулирована следующим образом: « Когда автомобиль движется с большой скоростью во время дождя, иногда капли на его боковом стекле поднимаются вверх, но не опускаются. Объясните явление и найдите условия его возникновения (например, размер капель и скорость автомобиля). Что определяет траекторию падения и как она зависит от важных параметров? ». Следуя рекомендациям IPT, мы исследовали движение капель дождя на боковом стекле автомобиля с точки зрения последнего вопроса и сосредоточились на от направления, принятого каплями, когда они подвергаются сильному ветру в сочетании с гравитацией.

Мы благодарны Пьеру Лекуантру, Кристофу Клане из LadHyX, Гилему Галло из LOB и Фабиану Кадису из PMC при Политехнической школе за помощь, которую они оказали во время проекта, а затем за полезные комментарии и исправления, которые они внесли в Ядро этой статьи. Мы также благодарим Пьера Жильерона из Renault, а также Барбару Брудье и Альбана Соре из Saint-Gobain за их помощь в понимании аэродинамики автомобилей и смачивания стекол.

Список литературы

1. А.К. Njifenju, Gouttes et film liquides en aérodynamique car, кандидатская диссертация, ESPCI, 2010 г.

   [Google ученый]

2. S.C. Yih, Phys. Жидкости 6, 321–334 (1963)

   [CrossRef]

   [Google ученый]

3. Н.Le Grand-Piteira, A. Daerr, L. Limat, Phys. Rev. Lett. 96, 254503 (2006).

   [CrossRef]

   [Google ученый]

4. Т.Подгорски, Ruissellement en conditions de mouillage partiel, докторская диссертация, Университет Пьера и Марии Кюри — Париж VI, 2000 г.

   [Google ученый]

5. C.G.L. Furmidge, J. Colloid Sci. 17, 309–322 (1962).

   [CrossRef]

   [Google ученый]

6. П.A. Durbin, J. Fluid Mech. 196–205 (1988)

   [Google ученый]

7. Дж. Фан, M.C.T. Уилсон, Н. Капур, J. Colloid Interface Sci. 356, 286–292 (2011)

   [CrossRef]

   [PubMed]

   [Google ученый]

8. П.Жильерон А. Курта, Aérodynamique Automobile pour l’environnement, le Design et la sécurité Cépadués (2014)

   [Google ученый]

9. А. Готье, Hydrophobie Dynamique et Dynamiques Hydrophobes, докторская диссертация, Политехническая школа, 2015

   [Google ученый]

10. С.Чандра, К. Avedisian, Proc. R. Soc. Лондон. 432, 13–41 (1991).

    [CrossRef]

    [Google ученый]

11. ГРАММ.MacDougall, C. Ockrent, Proc. R. Soc. Лондон. 180А, 151 (1942)

    [Google ученый]

12. Л. Прандтль, NACA TM 452, 1928 г.

    [Google ученый]

13. С.Ф. Хорнер, Гидродинамическое сопротивление, Hoerner Fluid Dynamics, Нью-Йорк, 1965.

    [Google ученый]

14. P.G.C. Де Жен, Акад. Sci. 288 (IIb), 219 (1979)

    [Google ученый]

15. Р.G. Cox, J. Fluid Mech. 168, 169–220 (1986)

    [Google ученый]

16. В. Пакстон, К. Варанаси, Нат. Commun. 4, 1492 (2013)

    [CrossRef]

    [Google ученый]

17. Дж.С. Маршалл, В. МакК. Палмер, Нат. Commun. 5, 1492 (1948)

    [Google ученый]

18. H. Alireza, L. Sungyon, Phys. Ред. Жидкости 2, 196–205 (2017)

    [Google ученый]

Цитируйте эту статью как : Джули Андре, Клеман Броше, Квентин Луи, Амори Барраль, Энтони Гиллен, Фанг-Тинг Го, Анхель Прието, Тибо Гийе, Движение капель дождя на боковом стекле автомобиля, Emergent Scientist 3 , 3 (2019)

Все фигуры

Почему в моем автомобиле течет стекло во время дождя?

Каковы контрольные признаки протекающего уплотнителя окна? И что еще более важно, как это исправить? Независимо от того, проникает ли вода через лобовое стекло, дверные окна или люк на крыше, есть способы снова сделать ваш автомобиль водонепроницаемым.

Узнайте, на что обращать внимание и как выполнить временный ремонт протечки окон автомобиля, от экспертов Glass Doctor!

Признаки протечки окна автомобиля

Выявление утечки в автомобиле — это первый шаг к устранению проблемы. Вот несколько явных признаков того, что ваша машина может протекать во время дождя:

• Затхлый запах
• Влажная или влажная обивка
• Влажность в салоне автомобиля
• Следы от воды или пятна
• Объединение воды (в багажнике, вдоль половиц и т. Д.))

Откуда берется вода?

Теперь, когда вы убедились, что вода течет в автомобиль, попробуйте определить, куда она попадает. Будьте внимательны при осмотре и просмотрите этот контрольный список, чтобы найти источник утечки:

Проверьте салон на наличие пятен от воды, следов или следов ржавчины. Полоски могут привести вас обратно туда, где вода входит в первую очередь.

Вы недавно ремонтировали или заменяли лобовое стекло? Плохо установленное лобовое стекло — частая причина попадания воды в автомобиль.Это еще более подозрительно, если он был недавно заменен, поскольку он мог быть неправильно установлен и / или запломбирован, что может привести к образованию луж на приборной панели или полу.

Ваш автомобиль недавно был поврежден? Вы купили его подержанным? Швы, которые были установлены неправильно или могли быть повреждены в результате автомобильной аварии, могут привести к просачиванию воды в автомобиль.

Со временем резиновые уплотнители на внутренней стороне окон, дверей и даже на задних дверцах грузовиков могут изнашиваться и становиться уязвимыми для протечек.Ищите уплотнитель, на котором видны следы износа, при поиске утечки.

Знаете ли вы, что у вашего люка на крыше есть сливной шланг? Люки в крыше устанавливаются для обеспечения водонепроницаемости, а сливные шланги устанавливаются в качестве запасных. Эти шланги предназначены для сбора любой воды, попадающей через люк в крыше, и вывода воды через другую часть автомобиля. Если эти шланги засорятся, вода может попасть в автомобиль через люк на крыше.

Ремонт течи окна автомобиля

После того, как вам удалось обнаружить утечку и определить ее причину, пора уменьшить ущерб.Для разорванного шва на теле вы можете попробовать использовать герметик для швов.

Сначала очистите пораженный участок, а затем нанесите достаточное количество ремонтного клея. Если проблема исходит от лобового стекла, вы также можете наклеить прозрачную упаковочную ленту вдоль швов, чтобы уменьшить утечку.

К сожалению, герметик не подойдет для всех утечек, а упаковочная лента предназначена только для временного устранения. Автомобиль должен быть доставлен профессионалу, например, к вашему местному врачу по стеклу, чтобы навсегда решить проблему.

Позвольте Glass Doctor починить стекла вашего лобового стекла

Вождение автомобиля с влажным полом или приборной панелью у кого-нибудь вызовет дурное настроение. Скорее всего, из-за изношенных уплотнительных прокладок или неправильно установленного лобового стекла утечка воды в автомобиль может стать настоящей головной болью. Хотя существуют герметики, которые помогают смягчить проблему, в конце концов, это всего лишь временное решение.

Если во время поездки у вас протекает вода, самое время заняться профессиональным вмешательством. Позвоните специалистам Glass Doctor сегодня по телефону (833) 365-2927 или запросите оценку онлайн, и мы сделаем ваше лобовое стекло водонепроницаемым в кратчайшие сроки!

…

Повреждение водой является проблемой не только для вашего автомобиля, но и для вашего дома.Узнайте, как снизить влажность в доме, с помощью наших друзей из Mr. Handyman. Как и Glass Doctor, мистер Разнорабочий является членом семьи Neighborly ^® , которой доверяют бренды домашнего обслуживания.

Предотвратите запотевание лобового стекла под дождем — Miracle Auto Glass Center

На этой неделе нас ждут дожди. И как это могло повлиять на ваше лобовое стекло?

Лобовое стекло запотело в последнее время? Низкие температуры в сочетании с влажной погодой создают идеальные условия для накопления большего количества влаги на лобовом стекле и окнах по всему автомобилю, что ухудшает ваше зрение.

Почему под дождем запотевают лобовые стекла?

Запотевание лобового стекла вызвано конденсатом на внутренней поверхности лобового стекла, а не снаружи. Так что протирать снаружи бесполезно. Конденсат возникает на лобовом стекле из-за высокой влажности внутри автомобиля, а запотевание происходит из-за того, что на улице холоднее, чем внутри автомобиля. Подумайте, как влага собирается на внешней стороне вашего напитка, это тот же сценарий.

Как правильно избавиться от тумана на лобовом стекле?

Самый быстрый способ избавиться от запотевания окон — включить кондиционер и сделать салон автомобиля холоднее, чем температура снаружи.

Чтобы удалить туман, вытрите всю влагу безворсовой тканью, прежде чем включить кондиционер и установить кондиционер в положение, при котором воздух дует прямо на лобовое стекло.

Что, если туман не исчезнет?

Если вы не можете заставить туман на лобовом стекле исчезнуть, скорее всего, масло смешано с влагой, что приводит к появлению трудноудаляемого пятна на лобовом стекле.

Масло может быть получено из чего-то вроде чистящего средства, которым вы протирали поверхности, или даже из освежителей воздуха, которые у вас есть в машине.Некоторые освежители воздуха при испарении могут попасть на лобовое стекло частичками масла, особенно в жаркую погоду. Если у вас есть масло на лобовом стекле, вы можете очистить его, протерев мягкую ткань небольшим количеством спирта или соды и протерев ею промасленную область.

Как предотвратить запотевание лобового стекла.

Лучший способ защитить лобовое стекло от запотевания — это содержать класс в чистоте. Любые частицы грязи или масла, например магниты для влаги. Для длительного эффекта вы можете использовать средства против запотевания.Перед нанесением любых средств против запотевания убедитесь, что ваше лобовое стекло чистое и сухое.

Проверьте уплотнитель

Защитная плёнка на дверях и окнах может испортиться, в результате чего дверь остается открытой, и влага просачивается через боковые стороны окна. Если вы обнаружите какие-либо влажные участки внутри вашего автомобиля, это незамедлительный признак того, что уплотнитель нуждается в замене.

5 советов по защите лобового стекла от дождя

Нажмите, чтобы оценить этот пост!

[Всего: 1 Среднее: 5]

Каждый водитель, независимо от его квалификации, знает, насколько сложно безопасно управлять автомобилем во время дождя.В конце концов, навыки бесполезны, когда судьба находится в руках матери-природы. Поскольку обзор постоянно блокируется, а на лобовое стекло оседает грязь, именно меры, которые вы примете заранее, помогут вам преодолеть дренчер.

Первый шаг в этом — убедиться, что лобовое стекло в автомобиле готово выдержать еще один сильный сезон дождей. Но если мы не знаем жизненно важной цели, которой служит ветровое стекло, трудно работать над его надлежащим обслуживанием.

Значение лобового стекла

Лобовое стекло в автомобиле , вероятно, является одним из самых важных элементов безопасности.Хотя его первоначальная цель — защитить лицо от ветра, защитить от дождя и уличной грязи и обеспечить хорошую видимость во время вождения, существуют и другие важные цели, о которых многие из нас не знают.

Ветровое стекло также обеспечивает структурную целостность крыши вашего автомобиля и играет важную роль в поглощении ударов подушек безопасности в случае аварии. Следовательно, вождение со сколами или трещинами на лобовом стекле — нетривиальное дело, поскольку на карту поставлены не только деньги, но и человеческие жизни. А риск несчастных случаев особенно высок в сезон дождей по очевидным причинам.

Правильно ухаживая за лобовым стеклом, вы обеспечиваете безопасность не только своей собственной, но и тех, кто находится с вами в автомобиле.

Ниже приведены пять советов по защите лобового стекла в автомобиле , когда оно льется —

1. Купите хорошие щетки стеклоочистителя

Чтобы защитить лобовое стекло от дождя, приобретите хорошие щетки стеклоочистителя. Выбирайте лезвия, обеспечивающие равномерное давление, иначе они не смогут смахнуть чисто и оставить полосы.Это повредит лобовое стекло и сократит срок его службы. Более того, не ждите до одиннадцатого часа замены. Эти лезвия необходимо заменять через регулярные промежутки времени, примерно от трех до четырех раз в год. Лучшее время для проверки и замены дворников — до сезона ливней. В конце концов, одно только средство защиты от дождя не поможет.

1. Поддержание оптимального уровня омывающей жидкости

Жидкость для омывателя ветрового стекла, также известная как жидкость для омывателя, представляет собой смесь спирта, растворителей, воды и моющего средства.Он разработан для растворения грязи и смывания грязи, скапливающейся на лобовом стекле. В сезон дождей, когда насекомых много, омывающая жидкость предотвращает их скопление на лобовом стекле . Важно регулярно проверять уровни омывающей жидкости, поскольку она играет ключевую роль в обслуживании ветрового стекла . Если в вашем автомобиле он не хватает, вызовите механика и заправьте его до оптимального уровня.

1. Тщательно осмотрите на предмет трещин

Лобовое стекло вашего автомобиля постоянно подвергается атакам обломков, града, камней и других загрязняющих веществ.Могут быть моменты, когда удар будет настолько разрушительным, что приведет к появлению небольших трещин. Эти маленькие трещины, если оставить их без внимания, приводят к более крупным, достаточно большим, чтобы позволить грязи и воде скапливаться внутри. Если это произойдет, единственной альтернативой будет замена лобового стекла. Так что лучше регулярно осматривать и ремонтировать лобовое стекло на трещины.

Идеально — быть в безопасности. AIS Windshield Experts предлагает ветровые стекла с датчиками дождя, которые автоматически активируются при обнаружении ливня.Кроме того, ветровые стекла имеют водоотталкивающее стеклянное покрытие, которое не позволяет скапливаться каплям воды и обеспечивает максимальную видимость во время движения.

1. Техника имеет значение

Нанесение водонепроницаемого средства на стекло — разумный шаг, но не забывайте уделять пристальное внимание технике нанесения. Перед нанесением средства защиты от дождя очистите стекло с помощью средства для мытья окон на основе аммиака и тщательно смойте весь нашатырный спирт перед сушкой стекла чистым полотенцем из микрофибры.Затем нанесите гидроизоляционную пленку согласно инструкции. Это гарантирует производительность. Теперь все, что вам нужно сделать, это регулярно проверять изделие на предмет износа и разрывов.

1. Проверить уплотнитель

Герметик дверей и окон вашего автомобиля изготовлен из резины и предназначен для герметизации проемов с целью защиты от дождя и загрязняющих веществ. Но уплотнитель со временем постепенно портится, после чего вода может просочиться и попасть в машину.Если вы можете довольно отчетливо слышать звук дождя, даже когда окна закрыты, или вы обнаружите, что салон вашего автомобиля влажный после езды под сильным дождем, это может указывать на то, что некоторые уплотнители нуждаются в замене.