Name: 薄膜控制研究波浪对液滴冲击动力学的影响薄流动液体薄膜 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 8 s
Description: 了解液滴冲击动力学研究方法，利用高速成像技术精确控制液滴生成与流动液膜实验条件，深入分析表面波与液滴相互作用的短时现象，为流体力学和材料科学领域提供重要的实验手段。

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本工作由尼日利亚石油技术发展基金（PTDF）和英国工程与物理科学研究理事会通过MEMPHIS项目资助（项目编号EP/K003976/1）。作者还感谢与Che Zhizhao博士的有益讨论。

1. 实验装置设置
注：见图1。
<ol>
	<li>降膜装置
	<ol>
		<li>首先使用干净、柔软的布清洁基底（玻璃）表面，确保表面无任何污垢附着，以免改变液体的性质。</li>
		<li>将玻璃基板的支点调整至所需倾斜角度。本研究中采用的倾斜角度β为15˚。</li>
		<li>打开电动泵，确保薄膜表面有正常的液体流动，以进一步清洁玻璃基板。本实验中使用的测试液体为去离子水。</li>
		<li>确保基底的整个表面都被润湿。</li>
		<li>使用流量计测量液膜流速。本研究中，流速在 1.667 x 10-3 和 10 x 10-3 m3/秒，对应相应的液膜雷诺数， Re = ρq/wµ，范围在 55.5 到 333.3 之间 w 为降膜宽度，0.30 m。</li>
		<li>逐渐调节流路连接处的阀门，以在玻璃基底上获得所需的流速。</li>
		<li>调节薄膜入口处的千分尺步进装置，使其与所选流速对应的努塞尔特液膜厚度值一致，以避免在薄膜入口处产生水力跃变或空气倒流进入分配室。</li>
		<li>手动虹吸排出分配室内的所有空气，以在膜表面下游获得均匀的流速。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>薄膜控制单元
	<ol>
		<li>确保函数发生器通过数据采集卡（DAC）和一个非自锁继电器连接至电磁阀。</li>
		<li>打开电磁阀和函数发生器。</li>
		<li>将函数发生器设置为所需的激励频率。本研究中使用的频率为 2 和 3 Hz。</li>
		<li>选择所需的波形信号（正弦波、锯齿波、方波） 等等。）。在本研究中，使用了正弦波信号。 图 2A 和 2B 展示未控制薄膜与受控薄膜之间的对比。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>液滴生成系统
	<ol>
		<li>将一段洁净的塑料管连接到装有水的注射器上。</li>
		<li>将注射器插入液滴发生器中。</li>
		<li>将选定尺寸（根据所需液滴直径而定）的注射器-针头连接到塑料管的另一端。研究的液滴直径范围为 0.0023 至 0.0044 m。</li>
		<li>调节液滴在薄膜表面以上的下落高度。本研究中，液滴下落高度在0.005至0.45 m范围内变化，对应的撞击速度为0.30 ± 0.02 至 2.96 ± 0.06 m/s。</li>
		<li>类似地，设定液滴从液膜入口开始的流向冲击位置。本研究中该距离设为0.3 m，以确保液滴冲击前液膜波已充分发展成形。</li>
		<li>设定注射泵的所需流速。</li>
		<li>调节流速，使液滴生成频率高于液膜表面所形成波纹的波长，以确保液滴依次撞击受控液膜的不同区域。参见 图2C；并放大显示单个波形 图 2D 以展示各区域下方流场特征的差异19,20.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>高速成像装置
	<ol>
		<li>将相机安装在三脚架（或其他合适的固定装置）上。</li>
		<li>选择所需焦距的微距镜头，并将其连接到相机上。</li>
		<li>打开高速相机，并确保直接对准薄膜表面。将相机与薄膜表面在水平方向和垂直方向分别对齐至7˚和12˚的偏角。此角度设置可获得冲击过程的优质侧视图像，在流向和展向方向上的分辨率分别为67.5 µm/像素和46.6 µm/像素。</li>
		<li>使用校准样品，在最大光圈下调节相机镜头的焦点&#160;准确放置在液滴撞击位置。</li>
		<li>获得清晰对焦后，缩小光圈以确保仅有少量光线进入相机。</li>
		<li>设置高速相机所需的帧率、分辨率和快门速度。本研究中采用的参数为5000 fps的帧率、800 × 600的分辨率、1/16的光圈大小以及1 µs的快门速度。</li>
		<li>将漫射器放置在光源前方，如图所示 图1C，以确保照明均匀地分布在成像区域。</li>
		<li>打开光源，确认照明均匀覆盖成像区域。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 校准
注意：参见图3。
<ol>
	<li>将直尺放置在液膜流动方向上（恰好位于冲击点处），并拍摄液膜表面测量点的图像。</li>
	<li>重复步骤2.1，但将直尺置于展向方向。</li>
	<li>利用上述方法获取液膜表面的空间分辨率。</li>
</ol>
3. 视频录制与数据采集
<ol>
	<li>一旦在装置上形成液膜流动，启动注射泵，观察滴落液滴对液膜表面的影响。</li>
	<li>启动函数发生器，观察液膜表面产生时空规则的波。</li>
	<li>确保连续的液滴落在受控薄膜表面的不同区域。</li>
	<li>观察触发后的帧编号，并将其设置为视频长度的约一半，以充分捕捉撞击过程。</li>
	<li>打开光源，并在发生撞击时触发图像采集。</li>
	<li>图像采集完成后，关闭光源以避免液膜过热。</li>
	<li>在计算机屏幕上直观分析所获得的快照，检查撞击是否发生在平面液膜、毛细波或波峰区域之一。</li>
	<li>将视频剪辑至显示冲击过程的部分，并以视频或图像格式保存该帧范围。</li>
	<li>重复步骤 3.5 至 3.8，并记录对膜表面所有区域的单独影响，即. 孤立隆起、毛细波和薄膜</li>
</ol>
4. 图像后期处理与分析
<ol>
	<li>将直尺置于视野中，通过计算1 cm范围内所占的像素数量来确定空间分辨率。利用校准图像获得用于图像尺寸测量的比例因子。</li>
	<li>比较高速图像中不同撞击区域的撞击过程结果，观察是否存在显著差异。</li>
	<li>使用适当的MATLAB图像处理程序，测量撞击过程产物的特征参数：例如，在飞溅模式下，测量冠状液膜的高度、直径、壁厚、倾斜角度、冠面朝向，以及喷射出的次级液滴的数量和尺寸分布。</li>
	<li>对低韦伯数撞击进行与上述4.3节类似的定量分析。从时间序列图像中统计卫星液滴的 pinch-off 时间，测量部分聚并过程中在次级液滴 pinch-off 前所形成液柱的顶端长度和宽度&#160;。测量喷射出的次级液滴的尺寸。统计重复 pinch-off 过程中 cascade 的次数。</li>
	<li>观察每个区域中的所有定性差异。</li>
</ol>

<ol><li>Yarin, A. L. <a target="_blank" href="https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.fluid.38.050304.092144">Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing….</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 38, 159-192 (2006).</li>
<li>Rein, M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1016/0169-5983(93)90106-K/meta">Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces.</a> Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).</li>
<li>Liang, G., Mudawar, I. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931016304136">Review of mass and momentum interactions during drop impact on a liquid film.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 101, 577-599 (2016).</li>
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<li>Adebayo, I., Xie, Z., Che, Z., Matar, O. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Doubly+excited+pulse+waves+on+thin+liquid+films+flowing+down+an+inclined+plane%3A+An+experimental+and+numerical+study%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Doubly excited pulse waves on thin liquid films flowing down an inclined plane: An experimental and numerical study.</a> Physical Review E. 96 (1), 013118(2017).</li>
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<li>Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet+Formation+and+Scaling+in+Dense+Suspensions%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 4389-4394 (2012).</li>
<li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Physical Review Letters. 103, 114501(2011).</li>
<li>Royer, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Birth+and+growth+of+a+granular+jet%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Birth and growth of a granular jet.</a> Physical Review E. 78, 011305(2008).</li>
</ol>

作者声明无任何利益冲突。

在本节中，我们提供一些必要的提示，以确保从该实验方案中获得定性结果。首先，液膜流动所用的玻璃基底必须保持完全洁净，以确保液膜的性质不受影响。可通过定期清洁来实现（可能使用合适的洗涤剂，并在托盘上方擦拭，以避免洗涤剂溶解进入系统）。同样，经过若干次实验后，应定期更换全部测试液体，以保证结果的准确性。
其次，流体分配室必须具有良好的网格结构，同时保持密封，以确保流出的液膜均匀。每次实验前可通过手动虹吸法将分配箱中的空气排出。建议在液膜入口处使用微米级调节装置，将入口处的间隙高度精确设置为根据对应雷诺数下液膜流动的努塞尔特估计所预测的液膜厚度，从而防止入口处发生水力跃变或回流。
必须始终正确检查并确认电磁阀的操作状态。这是因为需要适当的流动脉动以确保产生受迫波。可通过电磁阀规律的咔嗒声以及连接管道中可感知的脉动来检查这一状态。还必须谨慎设置进入注射泵的液体流速，以确保液滴以滴落方式被排出，避免在下落前发生任何预加速现象。
必须确保高速相机的适当校准，以获得非常准确的结果。选择光圈大小时，还需仔细考虑景深、曝光时间以及整体图像亮度等参数。在视频录制过程中进行相机触发时，用户还需估算触发前应记录的帧数。该数值可能因个体差异而异，具体取决于液滴撞击时间，因此建议在正式测量前进行多次试测练习。同样，光源必须合理布置并充分散射，以尽量减少图像中的阴影。
需要注意并牢记的是，本研究的主要重点是波浪对下落液滴冲击动力学的贡献，因此规则波浪结构的形成对于准确研究其背后的物理机制至关重要。当观察到波浪结构迅速转变为三维结构时，建议减小基底的倾斜角度14,19，以促进波浪结构更缓慢地转变。
该技术的一个局限性在于缺乏能够测定冲击区域实际瞬时膜厚的测量装置。若有此类装置，将能为所观察到的整体现象提供更详细的补充信息。
总之，本报告所述方法也可用于研究简单的波演化动力学，而所描述的高速成像系统则可应用于液滴破裂等具有快速动态过程的多个研究领域21,22/融合23，颗粒射流24, 等等。 在微时间尺度上观察到重要现象。

液滴撞击是自然界中一种非常普遍的现象，会吸引任何好奇观察者的关注1由于其在喷雾冷却、火灾抑制、喷墨打印、喷雾涂覆、印刷电路板上焊料凸点的沉积、内燃机设计、表面清洁以及细胞打印等众多领域的广泛应用，该领域已成为一个活跃的研究方向。2其应用还延伸至农业领域， 例如， 喷灌与作物喷洒3,4开创性工作可追溯至20世纪19年代th 世纪，随着沃辛顿的工作5，而由于高速成像技术的出现，重大进展直到最近才得以实现6此后，已有若干研究采用不同类型的冲击表面，从固体开始7,8浅层，9 以及深层液体池10,11 薄膜12,13.
然而，尽管关于液滴撞击液体表面的研究数量庞大（即， 浅层和深层水池以及静止液膜）相比，液滴对流动薄液膜的冲击作用尚未得到充分关注。此外，迄今为止的研究忽视了液膜表面波的空间结构对液滴冲击动力学的贡献。
在本报告中，我们提出了一种详细的实验方法，用于研究液滴撞击受入口流量控制的流动液膜的过程，此类液膜的动力学特性受液体流速的入口强制作用影响；下文中将其称为“受控”液膜。我们发现，这类液膜在多相工业中具有广泛的应用前景（例如， 在冷却塔、蒸馏塔以及两相流中观察到的环状流工况下），尤其是当膜控制已成为许多过程工业中强化传热与传质的重要环节时14感兴趣的读者可参考我们之前的研究工作。15 有关本研究工作的更多结果详情。
通过调节入口流速的频率振荡，可在液膜表面形成规则的波浪。我们重点关注孤波家族，其特征是具有间距较宽的狭窄波峰，并且前方伴随一系列前导毛细波16,17,18。我们研究了液滴撞击孤波结构三个主要部分——“平坦液膜”、“波峰隆起”以及前导“毛细波”区域——所产生的结果。同时，我们将这些结果与未受控流动液膜的情况进行对比。研究结果表明，未受控液膜上波浪出现的随机性显著影响液滴撞击的结果，而受控液膜的不同区域也展现出新的作用机制，我们已对此进行了定性与定量的详细分析。
在之前的研究15中，采用相同的方法，我们研究了液膜控制对飞溅状态下液滴撞击动力学的影响。所得结果表明，在冠状结构的形貌（高度、直径、壁厚、倾斜角度和方向）以及溅射出的次级液滴的数量和尺寸分布方面，均存在定量和定性的差异。
在本报告中，我们描述了为理解这些空间结构在液滴撞击动力学中所起关键作用而设计的实验装置，并简要介绍了我们在液滴撞击的飞溅状态以及其他撞击结果方面的研究发现即 弹跳、滑动、部分/完全聚并）。通过遵循下述标准实验方案，可重复性地研究液膜控制对液滴撞击动力学的影响。

<table><tbody><tr><td>函数发生器</td><td>GW INSTEK</td><td>AFG 2005 系列，数字式。Geo0852266</td><td>可产生多种波形信号，包括正弦波、方波和锯齿波，频率范围为 0.1 Hz - 5 MHz。</td></tr><tr><td>注射泵</td><td>Braintree Scientific Inc.</td><td>Bs-8000 /225540</td><td></td></tr><tr><td>电磁阀</td><td>SMC-VXD</td><td>2142A.&lt;br/&gt; 0AE-5001</td><td>先导式两位两通阀</td></tr><tr><td>继电器</td><td>Takamisara</td><td>A5W-K.&lt;br/&gt; 154424C-03L</td><td></td></tr><tr><td>电动泵</td><td>Clarke SP</td><td>SPE1200SS 1</td><td></td></tr><tr><td>流量计</td><td>RS Components</td><td>CYNERGY3 UF25B 14011600040110</td><td>测量范围：0.2–25 L/min</td></tr><tr><td>千分尺步进装置</td><td>RS Components</td><td>千分头</td><td>精度 0.01 mm，量程 0–13 mm</td></tr><tr><td>高速相机</td><td>Olympus</td><td>I-SPEED 3.</td><td>最高可实现每秒 100,000 帧的录制速度。</td></tr><tr><td>光源</td><td>TLC Electrical Supplies</td><td>IP54 -黑色</td><td>双层封闭式卤素泛光灯，额定功率 500 W。</td></tr><tr><td>光扩散器</td><td>OptiGraphix</td><td>DFPMET</td><td>厚度 250 &amp;mu;m</td></tr><tr><td>玻璃基板</td><td>Instrument Glasses Ltd</td><td>钠钙浮法玻璃；570 mm × 300 mm × 4 mm</td><td>平面度公差 0.02/0.04。</td></tr><tr><td>微距镜头</td><td>(a) Nikon&lt;br/&gt; (b) Sigma</td><td>(a) AF-Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 D&lt;br/&gt; (b) 105 mm f/2.8 Macro-Ex</td><td></td></tr><tr><td>测试液体</td><td>帝国理工学院分析实验室提供的去离子水</td><td>标准溶液&lt;br/&gt; (AnalaR)</td><td></td></tr></tbody></table>

利用薄膜控制研究波浪对液滴撞击薄流动液膜动力学的贡献

Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films

液滴撞击是自然界中一种非常普遍的现象，因其美学吸引力和广泛的应用而受到关注。以往关于流动液膜的研究忽视了液膜表面波的空间结构对撞击结果的影响，而最近的研究表明，这种空间结构对液滴撞击动力学具有显著影响。本报告中，我们详细阐述了一种逐步研究方法，用于探究流动液膜在周期性入口扰动作用下产生时空规则波结构时，对液滴撞击动力学的影响。通过函数发生器连接电磁阀，用于在液膜表面激发具有时空规律性的波结构，同时利用高速相机记录尺寸均一的液滴撞击过程的动力学行为。随后对三个不同区域进行研究； 即 位于大波峰前方的毛细波区域、平坦液膜区域以及波峰区域。同时考察了由液膜流速、液滴速度和液滴尺寸参数化的若干重要无量纲量的影响，包括液膜雷诺数、液滴韦伯数和奥内佐格数。我们的结果揭示了在低惯性和高惯性液滴条件下，通过施加液膜入口扰动对流动液膜所引发的有趣且此前未被发现的动力学行为。

本文介绍了一种研究液滴撞击流动液膜过程中波浪作用的实验方案。

液滴撞击是自然界中一种非常普遍的现象，因其美学吸引力和广泛的应用而受到关注。此前……

该方法可帮助我们解答流动液膜、薄膜及液滴撞击等领域的关键问题。我们转而探讨波的演化动力学。这些波在液滴聚并时发生破碎，同时也会形成锁存结构。因此，该技术的主要优势在于为我们提供了深入研究短时间尺度现象的途径。开始实验前，先用软布清洁平板玻璃基底，以彻底清除其表面的灰尘和颗粒物。将基底的支点调节至所需的倾斜角度。向储液槽中加入测试液体，例如去离子水。启动液体泵，并确认液体能够正常流过整个基底表面。查看流量计上的读数，并逐步调节直流阀，以达到所需的流速。接着，为了避免在液膜入口处产生水力跃变或空气进入分配腔造成不良流动，需调节分配腔的刀口端，使液膜前端的间隙高度精确等于该流速下紧贴的液膜厚度值。手动从分配腔中虹吸排出空气，以确保液体在整个基底上均匀稳定地流动。随后，确认函数发生器已通过非自锁继电器连接至液体流路中的电磁阀。打开函数发生器和电磁阀。将函数发生器设置为所需的激励频率和波形。然后，用所需测试液体（如去离子水）填充注射器。将洁净的塑料管连接到注射器上，并将注射器安装至液滴发生装置组件中。使用纸胶带将所需直径的针头连接到塑料管的另一端。将塑料管和注射器固定在装置中。调节针头位置，以达到所需的下落高度以及液滴撞击点沿流向距离液膜入口的指定位置。启动注射泵并调节流速，使水滴从针头滴落至液膜表面，且无明显预加速现象。继续调节流速，使液滴生成频率与液膜表面波的波长相匹配，从而确保液滴落在液膜的不同区域。在光源前方放置光扩散器，然后打开灯光。确认成像区域被均匀照亮后，关闭光源。接下来，关闭函数发生器和液滴发生器。将高速相机安装在三脚架上。为相机配备所需焦距的微距镜头，并打开相机电源。将相机对焦于液膜表面，使用7

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介绍了电场诱导去润湿装置（Field-DW）的制备与操作方案，以及电场对液滴内含物影响的初步研究。...

利用降低液滴-表面相互作用优化数字微流控中生物分析物的传输

介绍了两种用于研究液体射流冲击高速运动表面的实验装置：气炮装置和旋转圆盘装置。这些装置用于确定将液体摩擦调节剂（LFM）施加到铁轨顶部以控制摩擦力的最佳方法。...

高速液流冲击运动表面的可视化

本文介绍了一种实验上可实现的模拟方法，用于研究稠密流体中的分子流体动力学过程。该技术利用振动下高恢复系数颗粒堆的粒子图像测速法，能够直接在宏观尺度上观测到强相互作用、高密度气体和液体中已知或预测存在的动力学过程。...

一种用于研究稠密气体和液体中分子流体动力学过程的宏观模拟技术

介绍了两种不同的方法，用于表征从层流到湍流条件下，单个颗粒的起始运动随沉积床几何结构的变化特性。...

基于视觉的规则基底中颗粒起动的表征：从层流到湍流条件

本文所述技术提供了一种低成本且相对简单的方法，可同时测量低颗粒浓度流动中的颗粒运动学和湍流。湍流测量采用粒子图像测速技术（PIV），而颗粒运动学则通过高速相机在重叠视场内获取的图像进行计算。...

利用流动成像技术同步测量湍流与颗粒运动学

本方案展示了自由下落球体入水实验的基本实验装置。讨论了使用可穿透织物改变液体表面的方法、化学不浸润球体的制备方法，以及飞溅现象可视化和数据提取的步骤。...

改变流体与撞击物表面条件的自由下落球体对深液池的撞击影响

该方案旨在研究液滴与空气中超疏水基底之间的相互作用。包括校准测量系统，并测量在具有不同网格分数的超疏水基底上的相互作用力。...

利用光杠杆法测量液滴与超疏水基底间的相互作用力

本方案能够高效采集液滴撞击过程的实验高速图像，并批量快速分析这些数据。为了简化这些流程，该方法描述了如何校准和设置设备、生成合适的数据结构，以及部署图像分析脚本。...

液滴撞击的高通量分析

本文介绍了通过在铌酸锂上采用直流溅射法沉积板电极来制备压电厚度模式换能器的方法。此外，通过使用换能器支架和流体供给系统实现了可靠运行，并通过阻抗分析、激光多普勒测振、高速成像以及基于激光散射的液滴尺寸分布对器件性能进行了表征。...

用于雾化与声流体学的厚度模式压电器件的制备与表征

了解液滴冲击动力学研究方法，利用高速成像技术精确控制液滴生成与流动液膜实验条件，深入分析表面波与液滴相互作用的短时现象，为流体力学和材料科学领域提供重要的实验手段。

利用薄膜控制研究波浪对液滴撞击薄流动液膜动力学的贡献

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