Summary
Ett protokoll att studera bidrag från vågor till droplet inverkan dynamics på flödande flytande filmer presenteras.
Abstract
Droplet inverkan är ett mycket vanligt fenomen i naturen och lockar uppmärksamhet på grund av dess estetiska fascination och omfattande program. Tidigare studier på flödande flytande filmer har försummat bidragen av rumsliga strukturer i vågor för att inverkan resultatet, medan detta har nyligen visat sig ha ett betydande inflytande på drop inverkan dynamiken. I detta betänkande beskriva vi ett stegvis förfarande för att undersöka effekten av periodiska inlopp tvingar en flödande flytande film leder till produktion av spatiotemporally regelbundna våg strukturer på drop inverkan dynamics. En funktionsgenerator i samband med en magnetventil för att excitera dessa spatiotemporally regelbundna våg strukturer på film ytan medan inverkan dynamiken av enhetlig storlek droppar fångas med hjälp av en höghastighetskamera. Tre distinkta regioner studeras sedan; nämligen regionen kapillär våg före stor våg peak, regionen platt film och regionen våg puckel. Effekterna av viktiga Dimensionslösa kvantiteter till exempel film Reynolds, släppa Weber och Ohnesorge nummer parametriserade av filmen flöde, minskade hastigheten och droppe storlek undersöks också. Våra resultat visar intressant, hittills oupptäckta dynamics som åstadkommits genom denna tillämpning av filmen inlopp tvingar av flödande filmen för både låg och hög tröghet droppar.
Introduction
Droplet inverkan är ett mycket vanligt fenomen i naturen och väcker uppmärksamhet från någon nyfiken observatör1. Det utgör ett aktivt forskningsområde på grund av dess många tillämpningar inklusive spray-kylning, brandsläckning, bläckstråle-utskrift, spray-beläggning, nedfall av lödtenn knölar på kretskort, utformningen av förbränningsmotorer, Surface-rengöring och cell-utskrift2. Dess tillämpning sträcker sig också till jordbruk, t.ex., stänka bevattning och gröda besprutning3,4. Banbrytande arbete går tillbaka till det 19: e århundradet, med arbetet i Worthington5, även om stora framsteg har endast gjorts nyligen på grund av uppkomsten av höghastighetståg imaging6. Sedan dess har har flera studier genomförts; använda olika typer av påverkan ytor alltifrån fasta ämnen7,8, grunt,9 och djupt flytande pool10,11 till tunna filmer12,13.
Men trots den stora mängden forskning på droplet inverkan på flytande ytor (dvs, ytliga och djupa pooler och quiescent filmer), har påverkan på flödande tunna flytande filmer inte fått lika mycket uppmärksamhet. Dessutom hittills, har studier försummat bidragen av vågorna till droplet inverkan dynamics rumsliga strukturer.
I denna rapport presenterar vi en detaljerad experimentell förfarande för att undersöka droplet inverkan processen på strömmande filmer vars dynamics påverkas av inlopp-tvingar flytande flödet; nedan hänvisar vi till dem som ”kontrollerade” filmer. Finner vi att dessa har många tillämpningar i flerfasiga branscher (t.ex. i kylning torn, i destillationskolonner, och också i den ringformiga flöde regimen observerades hos tvåfas flöden), särskilt som film kontroll har blivit ett viktigt steg i den intensifiering av både värme- och massöverföring i många process industries14. Den intresserade läsaren hänvisas till våra tidigare arbete15 för mer information om resultaten av vår forskning på detta.
Denna tillämpning av frekvens svängningar inlopp flödet resulterar i bildandet av regelbundna vågor på film ytan. Vi fokuserar på familjen solitära våg som kännetecknas i huvudsak av allmänt-separerad smala toppar och föregås av en rad front-running kapillär vågor16,17,18. Vi studerar utfallet av de effekter som är associerad med strukturen solitär våg tre huvuddelar: den 'platt film', 'våg puckel' och front-running 'kapillär våg' regioner. Vi jämför även dessa resultat med de som förknippas med okontrollerad strömmande filmer. Våra resultat visar att stokastiska beskaffenhet våg utseende på okontrollerad filmen markant påverkar resultatet av droppe inverkan, med separata områden kontrollerade filmen också visar nya mekanismer, som vi har detaljerade både kvalitativt och kvantitativt.
I tidigare papper15, studerade med samma procedur, vi effekten av filmen kontroll på droplet inverkan dynamik i stänk regimen. De erhållna resultaten visade både kvantitativa och kvalitativa skillnader i crown morfologi (höjd, diameter, väggtjocklek, tiltvinkel och riktning) samt antal och storlek distribution av utkastade sekundära droppar.
I den här rapporten beskriver vi designade set-up för att förstå den viktiga roll som dessa rumsliga strukturer i droplet inverkan dynamics och även nuvarande kortfattad Detaljer av våra resultat inte bara i stänk regimen, utan också för andra resultat av droplet inverkan (dvs studsande, glidande, partiell/total återförening). Genom att följa de standardprotokoll som beskrivs nedan, kan effekten av filmen kontroll på droplet inverkan dynamiken studeras på ett reproducerbart sätt.
Protocol
1. experimentell rigg Setup
Obs: Se figur 1.
-
Fallande film unit
- Börja med att rengöra ytan substrat (glas) med en ren, mjuk trasa. Se till att ingen smuts följs dess yta, som skulle förändra egenskaperna flytande.
- Ställ in hänga av glassubstrat till önskad lutning vinkel. Lutning vinkel β, av 15˚ användes i detta arbete.
- Slå på den elektriska pumpen och säkerställa en normal vätskeflödet på filmen för att ytterligare rengöra glassubstrat. För detta arbete var provet vätskan avjoniserat vatten.
- Se till hela ytan av substratet är fuktade.
- Mätning av filmen flöde med hjälp av flödesmätaren. För detta arbete, flödet var varierade mellan 1.667 x 10-3 och 10 x 10-3 m3/s med motsvarande filmen Reynoldstal, Re = ρq/wµ, mellan 55,5 och 333. w är fallande film bredd, 0,30 m.
- Gradvis justera ventilerna på flöde anslutning att erhålla det önska flödet på glassubstrat.
- Justera uppsättningen mikrometer steg vid inloppet till film i motsvarande Nusselt film tjocklek värdet för det valda flödet, att undvika en hydraulisk hoppa på inloppet till film eller en återflödet av luft in i distribution-kammaren.
- Manuellt sifon all luft i distribution kammaren att erhålla ett enhetligt flöde nedströms på film ytan.
-
Film-styrenheten
- Se till att funktionen generatorn är ansluten till magnetventilen genom ett icke-ickesparande relä via förvärv datakort (DAC).
- Slå på både magnetventilen och funktionsgenerator.
- Ange funktionsgenerator till önskad tvingar frekvens. I detta arbete användes frekvenser av 2 och 3 Hz.
- Välja önskad våg signalen (sinusvåg, sågtandsvåg, fyrkantsvåg, etc.). I detta arbete användes en sinus våg signal. Figur 2A och 2B visar kontrasten mellan en okontrollerad film och en kontrollerad film.
-
Droplet generation system
- Bifoga en ren plast slangen i en vattenfylld spruta.
- För in sprutan i droplet generatorn.
- Anbringa en spruta-nål av valt storlek (beroende på önskad droplet diameter) till den andra änden av plaströr. Droplet diameterområdet studerade var mellan 0.0023 till 0.0044 m.
- Justera hösten höjden på rullgardinsmenyn ovanför film ytan. I detta arbete, varierades drop's fallhöjd från 0,005 till 0,45 m, ger effekt hastighet mellan 0.30 ± 0,02 - 2,96 ± 0,06 m/s.
- Likaså börvärde den streamwise påverkan av nedgången från inloppet till filmen. Detta var inställd på 0,3 m i detta arbete att säkerställa vågorna är välformad före inverkan.
- Ange en önskad flöde för sprutpumpen.
- Justera flödet för att uppnå en droplet generation frekvens större än våglängden av vågor bildas på film ytan. att säkerställa droppar successivt inkräkta på olika regioner av kontrollerade filmen. Se figur 2 c; med en utvidgning av en singular vågform i figur 2D att visa på olikheter i flödet profilen under varje region19,20.
-
Höghastighetståg imaging setup
- Placera kameran på ett stativ (eller något annat lämpligt arrangemang).
- Välj makroobjektivet med önskad brännvidd och Anslut detta till kameran.
- Slå på hög hastighet kameran och säkerställa direkt fokus på film ytan. Rikta in kameran mot 7˚ och 12˚ horisontella och vertikala avvikelser respektive till film ytan. Detta ger en utmärkt sida Visa bild av inverkan processen, vilket resulterar i en upplösning på 67,5 µm/pixel och 46,6 µm/pixel i streamwise och spanwise riktning, respektive.
- Justera skärpan av kamera-linsen (vid största bländare) med hjälp av en kalibrering objektet placeras exakt på droplet inverkan plats.
- När en skarp fokus har erhållits, minska bländaren för att säkerställa att endast en liten mängd av ljus kommer in kameran.
- Ange önskad bildhastighet, upplösning och slutartid på höghastighetståg kameran. En bildhastighet på 5000 fps, 800 x 600 upplösning, bländare storlek 1/16, och en slutartid på 1 µs användes i detta arbete.
- Placera ljus diffusorn framför ljuskällan, som visas i figur 1 c, att se till att Ljuset sprids jämnt över hela imaging regionen.
- Slå på ljuskällan att bekräfta enhetliga fördelningen av ljus över området imaging.
2. kalibrering
Obs: Se figur 3.
- Lägg en linjal i filmen flödesriktningen (exakt på plats av påverkan) och få ögonblicksbilder av uppmätta punkter på film ytan.
- Upprepa 2.1 men med linjalen i spanwise riktning.
- Använd ovanstående för att få de rumsliga upplösningarna på film ytan.
3. video inspelningen och datainsamling
- När filmen flöde är etablerad på riggen, starta sprutpumpen och observera effekterna av droppande dropparna på film ytan.
- Starta funktionsgenerator och följa produktionen av spatiotemporally vanliga vågor på film ytan.
- Säkerställa successiva droppar påverkar olika regioner i kontrollerade film ytan.
- Observera efter utlösning ram nummer och ange det till ungefär hälften av video längd tillräckligt fånga effekterna.
- Slå på ljuskälla och utlösa den bild fånga när genomslag förekommer.
- Stäng av ljuskällan när bild fånga är klar att undvika överhettning av flytande filmen.
- Visuellt analysera erhållna ögonblicksbilden på datorskärmen. Kontrollera om effekten har inträffat på en av platta filmen, kapillär våg, eller vinka puckel regioner.
- Trimma ner videon till den del som visar inverkan processen och sparar bildruteintervallet i en video/bild-format.
- Upprepa 3.5-3.8 och registrera enskilda effekter på alla regioner på film ytan, viz. ensliga puckel, kapillär vågor och platt film.
4. bild efterbehandling och analys
- Placera en linjal i synfältet och beräkna den rumsliga upplösningen genom att räkna hur många pixlar passar över 1 cm. använder kalibrering bilden, erhålla en skalfaktor för bild dimensionsmätning.
- Jämföra utfallen av inverkan processen Regionkommittén olika påverkan från snabba bilder. Kontrollera att se betydande skillnader.
- Använda en lämplig MATLAB bildbehandling rutin, mäta egenskaper funktioner av produkten av inverkan processen: viz. i stänk läge, mäta kronan höjd, diameter, väggtjocklek, luta vinkel, crown vetter mot riktning, antal och storlek distribution av utkastade sekundära droppar.
- Utföra liknande kvantitativa analyser som 4.3 ovan för låg-Weber effekterna. Räkna nypa-off tiden för satellit droppar från tid-inramade bilder och mät apex längd och bredd på kolumnen bildas i partiell återförening innan nypa-off av sekundära droppar. Mäta utmatade sekundära droppar storlek. Räkna antalet kaskaden i en upprepad nypa processen.
- Iaktta alla kvalitativa skillnader i varje region.
Representative Results
I huvudsak studerades två kategorier av påverkan; först var för droppar med låg tröghet (dvs droppe Weber nummer, (vid= ρdu2/σ) allt från 3,1 till 24,0 medan andra var för droppar med högt tröghetsmoment (i.e.,Wed 94 – 539) vilket resulterar i ett stänk resultat. Samma experimentell förfarande följdes dock för båda studierna. Andra relaterade Dimensionslösa kvantiteter som använts i studien innehåller filmen Reynoldstal (Re = ρq/wµ, mellan 55,5 och 333), filmen Weber antal (vi = ρhNuN2 /Σ, mellan 0.1061 och 2.1024), nedrullningsbara Ohnesorge nummer (Oh = µ/ (ρσd)1/2, mellan 0,0018 och 0,0025) och antalet Kapitza (Ka = σρ1/3g 1/3 µ 4/3, som beräknades till 3363 för vatten). Nusselt filmtjocklek (hN = [(3µ2Re)/(ρ2gsinβ)]1/3) befanns utbud från 4.034 x 10-4 till 7.328 x 10-4 m, medan Nusselt filmen hastighet (uN = ρgsinβhN2/3µ) befanns sortiment från 0.1376 till 0.4545 m/s. För alla ovanstående ekvationer är q flödet film, varierande mellan 0.001667 och 0,01 m3/s; Β är substrat lutning vinkel, fast vid 15˚ till horisontellt. µ och ρ är viskositet och densitet, respektive vatten uppskattas till 0,001 Pa s och 1000 kg/m3. Σ är den ytspänning kraften (0.072 N/m). och g är gravitationskraften (9.81 m/s2).
I de låg tröghet effekterna observerade trenderna, men lite liknande (figur 4), uppvisade ett antal tydligt spottable skillnader. Det märktes först allmänt att storleken på satellit drop produceras på wave puckel regionen var alltid större jämfört med andra regioner i effekt. I efterhand hittades motsatsen sann på regionen kapillär våg. Den satellit-droppar var alltid mycket små. Detta inträffar eftersom den radiella vågen produceras av påverkar nedgången blir undertryckt av existerande kapillär krusningar. Som ett resultat, ytterligare hämmas vågutbredning till vertikalt elongate drop, vilket resulterar i rullgardinsmenyn förlorar dess potential att framkalla en tillräckligt lång vertikal kolumn, därmed ledande till utslungning av endast små sekundära droppar från de smäckra kolonnerna bildas. Det observerades också att tendensen av en kaskad var mycket lägre på wave puckeln jämfört med andra regioner. I alla fall undersökas, produkten av partiell återförening, knappt upplevt en annan partiell återförening, medan på en platt film, upp till tre till fyra observeras. Kolumnen höjd observerades också högre men mest lutas i flödesriktningen på regionen våg puckel i jämförelse med andra regioner.
På regionen platt i jämförelse med andra regioner i effekt finns det en ökning av tendensen av en studsande resultatet. Detta uppstår på grund av den starka smörjning kraft som utövas på droppa av denna tunn platt film, som saktar ner dränering/gallring av de intervenerande luftlager mellan drop och filmen, och hindrar därmed sammanslagningen. Detta sedan resulterar i observerade droppe deformation samt den eventuella lyft. I jämförelse, påverkan på wave puckeln är mer benägna att partiell återförening, delvis på grund av tjockleken på filmen, avsaknad av redan existerande vågor (som finns i regionen kapillär wave), och slutligen den reducera smörjning kraften orsakas av flöde recirkulation i denna region. Dessa resulterar sammantaget i generation av litet längre kolumner än de som produceras på andra regioner.
Med en ökning av vätskefilm flöde (dvs. film Re); påverkan på kapillär vågorna ofta resulterat i en mild glidande av sänkningen av kapillär våg utan sammanslagningen (se figur 5a-5 h). Detta rullande släpp (figur 5 d-5f) mer sistnämnd därefter klättrar på kommande ensliga puckeln (figur 5 g och 5 h) där det erfar en partiell återförening (visas inte). Men ändras resultatet av påverkan på regionen platt film från en stadig partiell återförening att gynna den studsande läget. När det gäller inverkan på kapillär våg ledde ökningen i filmen Re till närmare nådde kapillär vågor som sedan fungerade som en ”kudde” som drop ”Red”, därav den observerade glidande sjunker. På den minst Reobserveras en mycket snabb nyper bort av drop vanligtvis på regionen platt film (i storlek 90% av den ursprungliga drop), med detta släpp upplever vissa ”dancing”-läge innan den senare går samman och resulterar i en normal partiell återförening. Detta, dock inte observeras på andra regioner i kontrollerade filmen.
Med en ökning av droppe vid, observerades det att kolumnen höjd ökar både på regionen platt film och våg puckeln men minskat på regionen kapillär våg.
Slutligen, med en ökning av droppe storlek, längre och bredare kolumner på observerades regionen platt film, som i sin tur gav upphov till en större satellit-droppe. Men på vågen puckeln, detta observerades inte, istället en övergång till totala återförening observerades. På kapillär vågen, öka i droppe storlek ledde till minskad glidande drop och en övergång till partiell återförening. Den största minskningen, gav dock nästan omedelbart till totala återförening. En sammanfattning av dessa resultat presenteras i tabell 1.
Bortom droplet hastighet 1,70 ± 0,03 m/s, ett stänk resultat observeras i samtliga tre regioner på film ytan (figur 6). Men även om ett liknande resultat observeras också i denna regim, slående skillnader observeras i morfologi av kronan bildas-dess höjd, diameter, väggtjocklek, lutningsvinkel, skapar tid samt antal och storlek-distribution av utkastade sekundära droppar.
I 'våg puckel regionen' är crown strukturen annorlunda än som i 'kapillär' och 'platt film regioner', som dess form är mer regelbunden. Den besitter också en tjockare crown vägg och kronan höjd är högre än de som observerades i 'kapillär' och 'platt film regioner'. Det finns också färre sekundära droppar ut från sin fälg i jämförelse med de kronorna som bildas i andra regioner. Slutligen observeras återförening längre innan kronan sveps bort av strömmande film.
I 'kapillär våg' och 'platt film region' är de kronorna som bildas också helt annorlunda baserat på ett antal funktioner. Först konstaterades det att den bakre höjden på kronan påverkas av kapillär pucklarna samt flöde återföring dynamiken i denna 'kapillär våg region', därav orsakar kronan bildas för att visas mer upprätt. Detta flöde återföring resulterar i transport av flytande massa bakåt som förstärker den bakre höjden på kronan bildas. Detta, dock inte beaktas om platta filmerna: kronan lutas naturligt i vätskeflödet riktning och vippar ytterligare med ökande Re. Denna lutning kan observeras i både uppströms och nedströms ändarna av kronan. I jämförelsen på kapillär vågorna, som filmen Re ökas, tycks baksidan av kronan bli mer 'upprätt' på ett sätt ganska motsatt som observerats på platta filmer. Crown höjd på platta filmen är dock högre än på kapillär vågor på grund av förlossningen av substratet. Det finns också en snabbare insättande av sekundära droplet utmatning från crown rim, på kapillär vågorna jämfört med på platta filmer. Slutligen, mer sekundära droppar matas på kanten av kronan på platta filmer än på kapillär vågor.
Tidsmässiga utvecklingen av kronan visar en svag beroendet av krondiameter på film Re i alla regioner i flödet. Det svagaste beroendet Re observeras i regionen' våg puckel'. I 'platt film regionen' observeras crown höjd att öka med Re som förväntat, eftersom större Re associeras med tjockare filmer. Graden av crown lutning mot flödesriktningen är också högre med ökande Re i 'platt film' och 'våg puckel' regioner. Denna effekt, förefaller dock vara mindre uttalad i regionen' kapillär våg'.
I 'våg puckel regionen' finns det färre sekundära droppar utkastade med ökande Re. Det verkar vara en något svag beroende av kronan höjd Re, medan det är en minskning i krona skapar tiden med ökande Re, som är ett resultat av ökad hastighet av flödande filmen som effekterna uppstår, som snabbt sveper skapar kronan bort från den ursprungliga inverka punkten. Det finns också en förändring i böjelsen av kronan i 'våg puckel regionen' beroende på konkurrensen mellan påverkar drop tröghet och flödande filmen. På lägre Re, kronan ansikten nedströms riktning, medan vid högre Re -värden, den står inför den uppströms (figur 7). Denna trend är inte observerats i 'kapillär våg' och 'platt film regioner'.
I 'kapillär våg regionen' observeras mer sekundära droppar på lägre Re. Det finns också en ökning i den totala kronan höjden med Re, och, vid lägre Re, droplet utmatning är främst den riktning streamwise (med crown fälgen högre framtill än baktill och även lutas mer mot den streamwise riktning). Höjden blir mer symmetrisk på högre Re, som tros vara ett resultat av balanserande effekt av högre pucklarna som kapillär vågor äger på deras baksida, därmed balansera-off crown rim höjden baktill.
Med släpp Weber effekt, kan det observeras att krondiameter ökar i högre takt med ökande vid; största är associerade med regionen' våg puckel'. Ytterligare skillnader i antalet och storlek distribution av utkastade sekundära droplet-programmet i denna stänk regim visas i figur 8 och figur 9, respektive. En sammanfattning av dessa resultat presenteras i tabell 2.
Figur 1: Experimental rigg. (A) schematisk representation av experimentella riggen, bestående av fallande film enheten för flödet av flytande film på en lutande glassubstrat; en film styrenhet (bestående av en magnetventil som anslutna över en viloströmsprincip relä via datakort förvärv och en funktionsgenerator som skickar automatiserade signal kontroll öppnandet och stängningsen av magnetventilen); en sprutpump som används för generering av droppar av kontrollerade storlekar från beräknade höjder ovanför film ytan och en höghastighetskamera för digital bildbehandling. De erhållna resultaten analyseras i datorsystemet. Återgivits från Adebayo & Matar 201715 med tillstånd av The Royal Society of Chemistry. (B) en illustrerad bild av riggen. (C) - (D) illustrerad beskrivning av belysningssystem. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: effekt av film kontroll på wave evolution dynamics på en flödande vätskefilm. (A) Shadowgraph bild av filmen ytan före filmen kontroll. Filmen kännetecknas av närvaron av naturligt utvecklas vågor som är stokastiska i naturen och som uppvisar oregelbundna spatiotemporal dynamics. (B) Shadowgraph bild av filmen ytan efter att tvinga. Vågorna är spatiotemporally regelbundna och förutsägbara, rendering bidrag från det rumsliga strukturerar att släppa inverkan lätt att studera. (C) solitär våg bildas på en kontrollerad flödande vätskefilm som belyser de olika regionerna på film yta dvs kapillär våg, platt film och våg hump regioner. (D) förstorad vy av en singular våg struktur visar flödet profilen i varje zon. Återgivits från Adebayo & Matar 201715 med tillstånd av The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: rumslig upplösning på 5000 fps. Med ett substrat lutning vinkel av 15˚ beräknas den rumsliga upplösningen till 67,5 µm/pixel och 46,6 µm/pixel i streamwise och spanwise riktning, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: effekten av filmen kontroll på resultatet av låg tröghet droppar påverkar olika regioner i en kontrollerad strömmande film, kontrasterade mot en okontrollerad filmen. Droplet höst-höjd är 0,005 m, droppe storlek är 3,3 mm, filmhastighet är 5 x 10-3 m3/s, tvingar frekvensen är 2 Hz, motsvarande film Re 166,5, släppa vi 3.134 och Oh 0.0021. Nedrullningsbara närmar sig film ytan a och kontakt (b), utlöser dräneringen av de intervenerande luftlager mellan det och filmen. Dessa resultat i deformation släpp formen och en radiell spridning av kapillär krusningar på ytan film initieras på effekt led c-d. När luftlager är spruckit, är en sammanslagning av flytande droppe med flytande filmen observerade (e) och en vertikal tillväxt av cylindrisk kolonn (ifall en partiell/total återförening). Detta följs av en upptakten av kapillär vågor på kolumnen bildas, vilket förlänger det. Slutligen, en nypa av en satellit droppe observeras (g-h), i en partiell återförening fall, som är av mindre storlek till inledande mor släppa. En upprepning av återförening processen ses samt (i-j). Kvalitativa skillnader ses i utfallen observerats (antingen studsande eller skjutbara eller partiell återförening) och förekomsten av en kaskad; medan kvantitativa skillnader observeras i nypa-off tiden, flytande kolumnen storlek (höjd och bredd) bildas, storleken på utkastade satellit droppe, och kaskad pekar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Droplet glidande på regionen kapillär våg i en kontrollerad strömmande film. Droplet diametern är 2,3 mm, med en fallhöjd av 0,008 m medan filmen flödet räntan är 10 x 10-3 m3/s, motsvarar Oh = 0,0024, vid = 5.014 och film Re = 333, respektive. Att tvinga genomfördes vid 2 Hz. (a) tillvägagångssätt. (b) kontakt. (c-f) Rullande släpp. (g-h) Klättring mötande ensliga puckeln. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: effekten av filmen kontroll på stänk fenomen på olika regioner i inverkan på en kontrollerad strömmande film, kontrasterade mot en okontrollerad filmen. Droplet diameter är 3,3 mm, med en fallhöjd av 0,25 m medan filmen flödet räntan är 5 x 10-3 m3/s, motsvarar Oh = 0.0021, vid = 224,8 och film Re = 166,5, respektive. Att tvinga genomfördes vid 2 Hz. Den flytande droppe närmar sig film ytan a och omedelbart vid kontakt (b), utvecklar en utslungad blad som växer in en krona (c). Den växande Kron (d-e) senare avkastningen till en Rayleigh-Plateau instabilitet vilket leder till utslungning av mindre droppar från sin fälg (f-j). Kronan faller ihop efteråt och coalesces med filmen (k), transporteras bort av mötande flödet. Skillnaderna i inverkan resultatet på de enskilda regionerna av effekt ses i storlek (höjd och diameter) kronan bildas, antal och storlek distribution av utkastade sekundära droppar, graden av crown luta, väggtjocklek, crown inför riktning och slutliga återförening tid. Återgivits från Adebayo & Matar 201715 med tillstånd av The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: effekten av filmen Reynolds och släpp Weber på crown förökning i regionen' våg puckel'. Droppstorlek är 3,3 mm, motsvarar Oh = 0.0021 och nedgången hösten höjder var varierade från 0,20 till 0,35 m (motsvarande till vid = 179.8-314.7) medan Re är i spänna av 55,5 till 333. De röda diamanterna skildra utfall med kronan inför nedströms riktning medan blå diamanter Visa uppströms söderläge crown utfall. Crown lutning påverkas av konkurrensen mellan påverkar drop tröghet och flödande filmen. Specifikt på låg Re, kronan är benägen streamwise riktning men som trögheten i flödande filmen får betydelse, riktning ändras och ansikten uppströms. Denna krona-uppströms-vända riktning upprätthålls bortom en Re -värde på cirka 250 oavsett omfattningen av vid. Återgivits från Adebayo & Matar 201715 med tillstånd av The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: Variation av antal sekundära droppar utkastade från crown rim i Regionkommittén olika inverkan av en kontrollerad film (dvs 'kapillär våg', 'platt film' och 'våg puckel' regioner, visas från vänster till höger, respektive) kontrasterade mot en okontrollerad film. Droppstorlek är 3,3 mm motsvarar Oh = 0.0021, och den släpper höjder har varierats från 0,20 till 0,35, vilket resulterar i inverkan hastigheter inom intervallet 1.981-2.621 m/s (motsvarande till vid = 179.8-314.7). De röda rektanglarna skildra droppe fallhöjd på 0,35 m, gröna diamanter 0,3 m, blå cirklar 0,25 m och orange rutor 0,2 m, respektive. Antalet utmatade sekundära droppar ökar med drop vi i alla regioner medan en ojämn trend observeras med film Re ökning: på wave puckeln, finns det en minskning av antalet utmatade sekundära droppar samtidigt på både kapillär våg och platt film regioner, det är en liten ökning. Ett dopp är märkt runt filmen Re 166,5 för kapillär vågen, som uppstår till följd av konkurrensen mellan de tangentiella hastigheterna av drop och som i filmen. Den oproportionerliga trenden som observerats på okontrollerad filmerna tros uppstå till följd av stokastiska arten av vågorna på film ytan. Återgivits från Adebayo & Matar 201715 med tillstånd av The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: effekten av inverkan regionen på storleksfördelning av utkastade sekundära droplet på en kontrollerad film kontrasterade mot en okontrollerad filmen. Droppe storlek är 3,3 mm medan filmen flödet är 5 x 10-3 m3/s motsvarar en film Re 166,5 och droppa Oh 0.0021. Den droppes höst höjder är 0.2, 0.25, 0,3 och 0,35 m motsvarar vid 179.8, 224,8, 269,8 och 314.7 respektive. På kapillär våg, formen på fördelningen är i stort sett oförändrat med Weber antal ökning men en märkbar ökning av antalet droppar i intervallet 0,5 till 1,0 mm. På de platta filmerna, dock storleksfördelning observeras för att variera från 0 till 2,0 mm och en förändring observeras mot 0 till 0,5 mm storlek dropparna som Weber är ökat. Denna ökning av antalet små droppar utkastade skiljer tydligt regionen platt film från andra regioner. På wave puckeln visar storleksfördelning att stora droppar i intervallet (1.0 till 2,0 mm) matas även för det minsta Weber talet undersökt. I motsats till ovanstående uppvisar de droppe storlek distributioner är associerad med en okontrollerad film inte en märkbart distinkta form på grund av vågor på sådana filmer stokastiska. Återgivits från Adebayo & Matar 201715 med tillstånd av The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Parametrar | Kapillär våg regionen | Platt film region | Wave puckel regionen |
| Apex höjd av kolonn | Kort | Medium | Hög |
| Storleken på satellit droppe | Liten | Genomsnitt | Stora |
| Cascade existens | Sällsynta | Ja | Ingen |
| Effekten av Re öka | Skjutbara fenomen | Studsande fenomen | Övergången till totalt återförening |
| Effekten av vi ökning | Minska i kolumnen höjd | Öka i kolumnen höjd | Öka i kolumnen höjd |
| Effekten av Oh minska | Minskad droppe glidande | Längre och bredare kolumner, större satellit droppar | Övergången till totalt återförening |
Tabell 1. Parametriska skillnader på låg-tröghet droplet inverkan dynamics på olika regioner i en kontrollerad strömmande film.
| Parametrar | Kapillär våg regionen | Platt film region | Wave puckel regionen |
| Crown form | Oregelbunden | Oregelbunden | Regelbundna |
| Crown höjd | Hög | Högre | Högsta |
| Crown väggtjocklek | Tunna | Tunnare | Tjock |
| Antal sekundära droppar | Mer | De flesta | Liten/ingen |
| Crown tiltvinkel | Minskar med film Re | Ökar med filmen Re | Vänder bortom Re 250 |
| Skapar tid | Snabb | Långsam | Mer försenat |
| Effekten av film Re öka | Kronan blir mer ”upprätt” | Öka i kronan höjd, brantare crown-lutning i filmen flödesriktning, | Minskat antal sekundära droppar, ändra i crown vetter mot riktning utöver Re 250 |
| Effekten av droppe Weber ökning | Tidigare debut och ökning av antal sekundära droppar och ökning av krondiameter. | Ökande antal sekundära droppar, crown höjd och krondiameter; minska i storlek av sekundära droppar | Ökning av antal sekundära droppar, crown höjd, krondiameter, återförening tid och förändring i crown-vända riktning. |
| Effekten av droppe Oh minskning | Ökning av krondiameter och höjd | Ökning av krondiameter och höjd | Ökning av krondiameter och höjd |
Tabell 2. Parametriska skillnader på hög-tröghet droplet inverkan dynamics på olika regioner i en kontrollerad strömmande film (stänk regimen).
Discussion
I det här avsnittet ger vi några tips som är nödvändiga för att säkerställa kvalitativa resultat erhålls från protokollet. Första glassubstrat som vätskefilm flödena måste hållas helt smuts-fri att säkerställa egenskaperna för flytande filmen hålls kompromisslös. Detta uppnås genom regelbunden rengöring (förmodligen med ett lämpligt rengöringsmedel, och torkas över en bricka att undvika upplösning in i systemet). Likaså bör det finnas en regelbunden ersättning av hela test-vätskan efter några experimentella rundor, att garantera korrekta resultat.
För det andra, vätska-distribution kammaren måste vara väl småmaskig och även hållit lufttät att säkerställa utströmmande vätska filmen är enhetlig. Detta kan göras genom manuellt häverteffekt luften ur strömfördelaren innan varje experiment. Användning av mikrometer-steg vid inloppet till filmen är också klokt att ställa gap-höjden vid inloppet film till den exakta filmtjockleken förutspådde i Nusselt uppskattningen av filmen flödet på motsvarande Reynolds nummer. Detta kommer att förhindra en hydraulisk hoppa eller återflödet vid inloppet.
Driften av magnetventilen måste också alltid kontrolleras och fastställas ordentligt. Detta beror på att en lämplig pulsering av flödet är krävs för att säkerställa produktionen av påtvingad vågorna. Detta kunde kontrolleras från det regelbundna klickande ljudet av magnetventilen samt en upplevd pulsering längs anslutning rören. Flytande flödet in sprutpumpen måste också anges noggrant att säkerställa droppar matas ut i ett droppande sätt, undvika eventuella före acceleration innan den föll.
Lämpliga kalibrering av höghastighetståg kameran måste säkerställas för att få mycket exakta resultat. Aperture storlek måste också noga väljas med hänsyn till parametrar som skärpedjupet, exponeringstid och övergripande bildens ljusstyrka. För kameran utlöser under videoinspelning, är användare också skyldiga att uppskatta hur många ramar bör registreras innan utlösning. Detta kan variera med individer, beroende på drop inverkan tiden, därmed, flera rättegång tester för att öva rekommenderas innan faktiska mätningar. Likaså måste ljuskällan vara ordentligt ordnade och väl diffust att minimera skuggor i bilden.
Det är viktigt att observera och kom ihåg att i fokus för studien är bidrag från vågor på inverkan dynamiken i den fallande droppar, bildandet av regelbundna våg strukturer är därför väsentligt att en noggrann studie av underliggande fysik. I scenarier där våg strukturer observeras att snabbt övergå till tredimensionella strukturer, är det tillrådligt att substrat lutning vinkel vara nedsatt14,19 att underlätta en långsammare övergång våg strukturer .
En begränsning av tekniken observeras i avsaknad av en mätanordning för att ange den faktiska momentana filmtjockleken på varje region av påverkan. Detta skulle ha gett ytterligare detaljer på övergripande observerade fenomenen.
Sammanfattningsvis, kan det förfarande som beskrivs i denna rapport också användas att studera enkel våg evolution dynamics, medan imaging höghastighetssystemet beskrivs kan tillämpas på många forskningsområden med snabb dynamik som flytande droppe uppbrott21, 22/coalescence23, granulat jets24, etc. där viktiga fenomen observeras vid en micro tidsskalan.
Disclosures
Författarna har inget att deklarera.
Acknowledgments
Detta arbete sponsrades av fonden Petroleum teknik (PTDF, Nigeria) och verkstads- och Physical Sciences Research Council, UK, genom i programmet Grant MEMPHIS (licensnummer EP/K003976/1). Författarna uppskattar också givande diskussioner med Dr Zhizhao Che.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Function generator | GW INSTEK | AFG 2005 Series, Digital. Geo0852266 | Produces a varied type of wave signals, ranging from sine, square to saw-tooth wave at different frequencies (0.1 Hz - 5 MHz). |
| Syringe pump | Braintree Scientific Inc. | Bs-8000 /225540 | |
| Solenoid valve | SMC-VXD | 2142A. 0AE-5001 |
Series-pilot-operated-two-port |
| Relay | Takamisara | A5W-K. 154424C-03L |
|
| Electric pump | Clarke SP | SPE1200SS 1 | |
| Flow meter | RS Component | CYNERGY3 UF25B 14011600040110 | Measurement range: 0.2-25 L/min |
| Micrometer step | RS Component | Micrometer Head | 0.01 mm/0 -13 mm |
| High-speed camera | Olympus | I-SPEED 3. | Capable of recording at up to 100, 000 frames per second. |
| Light source | TLC Electrical supplies | IP54 -black | Double enclosed halogen floodlight. Rating 500 W. |
| Light diffusor | OptiGraphix | DFPMET | 250 μm thickness |
| Glass substrate | Instrument Glasses Ltd | Soda Lime Float Glass; 570 mm x 300 mm x 4 mm | Flatness tolerance 0.02/0.04. |
| Macro-lenses | (a) Nikon (b) Sigma |
(a) AF-Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 D (b) 105 mm f/2.8 Macro-Ex |
|
| Test-liquid | De-ionized water from the Imperial College Analytical Lab. | Standard solution (AnalaR) |
References
- Yarin, A. L. Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing…. Annual Review of Fluid Mechanics. 38, 159-192 (2006).
- Rein, M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces. Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).
- Liang, G., Mudawar, I. Review of mass and momentum interactions during drop impact on a liquid film. International Journal of Heat and Mass Transfer. 101, 577-599 (2016).
- Dam, D. B., Le Clerc, C. Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate. Physics of Fluids. 16 (9), 3403-3414 (2004).
- Worthington, A. M. A study of splashes. , Longmans, Green, and Company. (1908).
- Edgerton, H. E., Killian, J. R. Flash! Seeing the unseen by ultra-high-speed photography. , CT Branford Co. (1954).
- Josserand, C., Thoroddsen, S. T. Drop impact on a solid surface. Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).
- Kolinski, J. M., Mahadevan, L., Rubinstein, S. M. Lift-off instability during the impact of a drop on a solid surface. Physical Review Letters. 112 (13), 134501 (2014).
- Hobbs, P. V., Osheroff, T. Splashing of drops on shallow liquids. Science. 158 (3805), 1184-1186 (1967).
- Adomeit, P., Renz, U. Hydrodynamics of three-dimensional waves in laminar falling films. International Journal of Multiphase Flow. 26 (7), 1183-1208 (2000).
- Blanchette, F., Bigioni, T. P. Dynamics of drop coalescence at fluid interfaces. Journal of Fluid Mechanics. 620, 333-352 (2009).
- Wang, A. B., Chen, C. C. Splashing impact of a single drop onto very thin liquid films. Physics of Fluids. 12 (9), 2155-2158 (2000).
- Che, Z., Deygas, A., Matar, O. K. Impact of droplets on inclined flowing liquid films. Physical Review E. 92 (2), 023032 (2015).
- Craster, R. V., Matar, O. K. Dynamics and stability of thin liquid films. Reviews of Modern Physics. 81 (3), 1131 (2009).
- Adebayo, I. T., Matar, O. K. Droplet impact on flowing liquid films with inlet forcing: the splashing regime. Soft Matter. 13 (41), 7473-7485 (2017).
- Chang, H. H., Demekhin, E. A. Complex wave dynamics on thin films. 14, Elsevier. (2002).
- Liu, J., Gollub, J. P. Solitary wave dynamics of film flows. Physics of Fluids. 6 (5), 1702-1712 (1994).
- Benjamin, T. B. Wave formation in laminar flow down an inclined plane. Journal of Fluid Mechanics. 2 (6), 554-573 (1957).
- Kalliadasis, S., Ruyer-Quil, C., Scheid, B., Velarde, M. G. Falling liquid films. 176, Springer Science & Business Media. (2011).
- Adebayo, I., Xie, Z., Che, Z., Matar, O. K. Doubly excited pulse waves on thin liquid films flowing down an inclined plane: An experimental and numerical study. Physical Review E. 96 (1), 013118 (2017).
- Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact. Physical Review Letters. 103, 124501 (2009).
- Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 4389-4394 (2012).
- Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Physical Review Letters. 103, 114501 (2011).
- Royer, J. R., et al. Birth and growth of a granular jet. Physical Review E. 78, 011305 (2008).
