Переход между двумя средами — жидкостью и газом, двумя несмешивающимися жидкостями или фазами вещества — сопровождается формированием поверхности раздела с определёнными физическими свойствами. Поверхность раздела может быть устойчивой или неустойчивой в зависимости от внешних условий и внутренних сил.
Если более тяжелая жидкость располагается над более легкой (например, вода над маслом или воздух под водой), поверхность раздела становится неустойчивой. Малейшие возмущения растут со временем, формируя волны и структуру с вытеснением жидкости.
Условие неустойчивости можно описать соотношением между плотностями сред ρ1, ρ2, ускорением g и длиной волны λ:
$$ \omega^2 = \frac{gk(\rho_2 - \rho_1)}{\rho_1 + \rho_2} - \frac{\sigma k^3}{\rho_1 + \rho_2} $$
где $k = \frac{2\pi}{\lambda}$ — волновое число, σ — коэффициент поверхностного натяжения.
Если ω2 > 0, возмущение растет — поверхность неустойчива.
Возникает при сдвиге двух слоев жидкости или газа с разной скоростью вдоль поверхности раздела. Если разность скоростей превышает некоторый порог, на границе раздела возникают волны с экспоненциально растущей амплитудой.
Это приводит к появлению вихрей и турбулентных структур.
Поверхностное натяжение влияет на распространение мелких волн — капиллярных волн. Эти волны возникают при взаимодействии сил поверхностного натяжения и инерционных сил жидкости. Они играют важную роль в процессах переноса массы и энергии на поверхности раздела.
В процессах кипения и конденсации поверхностные явления играют ключевую роль. Образование и рост пузырьков пара связаны с неустойчивостью на поверхности раздела жидкости и пара, в частности с капиллярными волнами и изменениями давления, вызванными кривизной поверхности пузырьков.
Кроме того, динамика пузырьков влияет на теплообмен, а изменение температуры и давления среды может вызывать различные типы неустойчивостей, влияющих на режим кипения и конденсации.