Summary
En protokol til at studere bidrag af bølger til droplet indvirkning dynamics på flydende flydende film præsenteres.
Abstract
Droplet konsekvenser er et meget almindeligt fænomen i naturen og tiltrækker opmærksomhed på grund af dens æstetiske fascination og omfattende programmer. Tidligere undersøgelser på flydende flydende film har forsømt bidrag af rumlige strukturer af bølger virkning resultatet, mens dette har for nylig vist sig at have en betydelig indflydelse på drop indvirkning dynamics. I denne betænkning skitsere vi en trinvis procedure for at undersøge effekten af periodiske inlet tvinger en flydende flydende film fører til produktion af spatiotemporally regelmæssige bølge strukturer på drop indvirkning dynamics. Funktionsgenerator i forbindelse med en magnetventil bruges til at vække disse spatiotemporally regelmæssig bølge strukturer på film overflade mens indvirkning dynamikken af ensartet størrelse dråber er fanget ved hjælp af en high-speed kamera. Tre forskellige regioner er derefter studerede; nemlig kapillær bølge regionen forud for den store bølge top, regionen flad film og bølge pukkel region. Effekterne af vigtigt dimensionsløst størrelser såsom film Reynolds, drop Weber og Ohnesorge tal parametre af filmen strømningshastighed, henlægge hastighed og drop størrelse er også undersøgt. Vores resultater viser interessante, hidtil uopdagede dynamics fremkaldt af denne anvendelse af filmen inlet tvinger den flydende film for både lav og høj inerti dråber.
Introduction
Droplet konsekvenser er et meget almindeligt fænomen i naturen og tiltrækker opmærksomhed fra enhver nysgerrig observatør1. Det udgør en aktiv forskningsområde på grund af dens talrige applikationer, herunder spray-køling, brand suppression, inkjet-print, spray-belægning, aflejring af lodde bump på printplader, design af forbrændingsmotorer, rengøring af overflader, og celle-udskrivning-2. Sin ansøgning udvider også til landbrug, fx overbrusning kunstvanding og afgrøde sprøjtning3,4. Banebrydende arbejde går tilbage til det 19. århundrede, med arbejdet i Worthington5, mens store fremskridt er kun foretaget for nylig på grund af fremkomsten af høj hastighed billedbehandling6. Siden da har været udført flere undersøgelser; ved hjælp af forskellige former for indflydelse overflader lige fra faste stoffer7,8, lavvandet,9 og dybt flydende pools10,11 til tynde film12,13.
Men trods den store mængde af forskning på droplet indvirkning på flydende overflader (dvs., lavvandede og dybe bassiner og inaktiv film), indvirkning på flagrende tyndt flydende film ikke har fået så meget opmærksomhed. Derudover hidtil, har undersøgelser forsømt bidrag af rumlige strukturer af bølger til droplet indvirkning dynamics.
I denne betænkning fremlægger vi et detaljeret eksperimentel procedure for at undersøge droplet indvirkning proces på strømmende film hvis dynamics påvirkes af inlet-tvinger flydende strømningshastigheden; nedenfor henviser vi til dem som "kontrolleret" film. Vi finder at disse har mange anvendelser i multifase industrier (f.eks. i køling tårne i destillation kolonner, og også i det ringformede flow regime observeret i to faser strømme), især da filmen kontrol er blevet et vigtigt skridt i den intensivering af både varme og masse overførsel i mange proces industrier14. Den interesserede læser er henvist til vores tidligere arbejde15 for flere detaljer om resultaterne af vores forskningsindsats på dette.
Denne anvendelse af frekvens svingninger inlet strømningshastigheden resulterer i dannelsen af almindelige bølger på film overflade. Vi fokuserer på den ensomme bølge familie, som er hovedsagelig karakteriseret ved almindeligt adskilt smalle toppe og indledes med en række front-running kapillær bølger16,17,18. Vi studere resultatet af virkninger forbundet med de tre vigtigste dele af den ensomme bølge struktur: 'flad film', 'bølge pukkel' og front-running 'kapillær bølge' regioner. Vi har også kontrast disse resultater med dem der er forbundet med ukontrolleret strømmende film. Vores resultater viser, at den stokastiske karakter af bølge udseende på ukontrolleret filmen markant påvirker resultatet af drop virkning, og de separate områder i kontrolleret filmen også viser nye mekanismer, som vi har detaljerede både kvalitativt og kvantitativt.
I den tidligere papir15, undersøgte ved hjælp af den samme procedure, vi effekten af filmen kontrol på droplet indvirkning dynamics i ordningen med sprøjt. De opnåede resultater viste både kvantitative og kvalitative forskelle i crown morfologi (højde, diameter, vægtykkelse, tilt vinkel og retning) samt antal og størrelse fordelingen af skubbet sekundære dråber.
I denne betænkning beskriver vi de designede set-up for at forstå den kritiske rolle, som disse rumlige strukturer i droplet indvirkning dynamics og også findes koncise detaljer af vores resultater, ikke kun i ordningen sprøjt, men også for andre resultater af droplet virkninger (nemlig hoppe, glide, delvis/total sammensmeltning). Ved at følge den standardprotokol, der er beskrevet nedenfor, kan effekten af filmen kontrol på droplet indvirkning dynamics studeres på en reproducerbar måde.
Protocol
1. eksperimentel Rig Setup
Bemærk: Se figur 1.
-
Faldende film enhed
- Start af rengøring substrat (glas) overfladen med en ren, blød klud. Sikre, at ingen snavs er levet op til sin overflade, som ville ændre de flydende egenskaber.
- Sæt pivot af glas substrat til den ønskede hældning vinkel. En hældning vinkel, β, af 15˚ blev brugt i dette arbejde.
- Tænd for den elektriske pumpe og sikre en normal flydende flow på film overfladen til yderligere rent glas substrat. For dette arbejde var test væske deioniseret vand.
- Sikre, at hele overfladen af substratet er fugtet.
- Måle strømningshastigheden af den film ved hjælp af flowmeteret. For dette arbejde, at strømningshastigheden blev varieret mellem 1,667 x 10-3 og 10 x 10-3 m3/s med den tilsvarende film Reynolds tal, Re = ρq/wµ, lige mellem 55,5 og 333. w er den faldende film bredde, 0,30 m.
- Gradvist justere ventiler på flow forbindelsen for at hente den ønskede strømningshastighed på glas substrat.
- Justere sæt af mikrometer trin ved indgangen til filmen den tilsvarende Nusselt film tykkelse værdi for den valgte flow til at undgå en hydraulisk hoppe på film fjorden eller en tilbagestrømning af luft ind i distribution kammeret.
- Manuelt sifon alle luft i distribution Parlamentet at opnå en ensartet flow nedstrøms på film overflade.
-
Film styreenheden
- Sikre, at funktion generatoren er forbundet til magnetventil gennem en lagres ikke relæ via et datakort til erhvervelse (DAC).
- Tænd for både magnetventil og funktionsgenerator.
- Angive funktionsgenerator til den ønskede tvinge frekvens. I dette arbejde anvendtes frekvenser på 2 og 3 Hz.
- Vælg den ønskede bølge signal (sinusbølge, savtakket bølge, firkantet bølge, osv.). I dette arbejde, blev en sinusbølge signal brugt. Figur 2A og 2B viser kontrasten mellem en ukontrolleret film og en kontrolleret film.
-
Droplet generation system
- Vedhæfte en ren plastslanger til en vand-fyldt sprøjte.
- Sæt sprøjten i droplet generator.
- Anbringe en sprøjte nål valgte størrelse (afhængigt af den ønskede dråbe diameter) til anden enden af den plastslanger. Dråbe diameter vifte studerede var mellem 0.0023 til 0.0044 m.
- Justere fall højden af drop over film overflade. I dette arbejde, var faldet faldhøjden varierede fra 0,005 til 0,45 m, hvilket giver anslagshastighed mellem 0,30 ± 0,02 - 2.96 ± 0,06 m/s.
- Tilsvarende, indstille streamwise indvirkning punkt af drop fra film-fjorden. Dette blev sat til 0.3 m i dette arbejde at sikre, at bølgerne er velformet forud for virkningen.
- Angive en ønskede strømningshastighed for sprøjten pumpe.
- Justere flow for at opnå en droplet generation frekvens større end bølgelængden af bølgerne dannet på film overflade; for at sikre dråber successivt gribe ind i forskellige regioner af de kontrollerede film. Se figur 2 c; med en udvidelse af en ental bølgeform i figur 2D til at vise ulighederne i profilen flow under hver region19,20.
-
Høj hastighed billedbehandling setup
- Anbring kameraet på et stativ fod (eller ethvert andet egnet arrangement).
- Vælg makroobjektiv med ønskede brændvidde og Tilslut det til kameraet.
- Tænd den højhastighedskamera og sikre direkte fokus på film overflade. Justere kameraet på 7˚ og 12˚ vandrette og lodrette afvigelser henholdsvis til filmen overflade. Dette giver en fremragende side-se billede af virkningen proces, hvilket resulterer i en opløsning af 67,5 µm/pixel og 46,6 µm/pixel i de streamwise og spanwise retninger, henholdsvis.
- Justere fokus af kameralinsen (på den største blændeåbning) ved hjælp af en kalibrering elementet placeret præcis på droplet indvirkning spot.
- Når en skarp fokus har opnået, mindske blænde for at sikre, at kun en lille mængde af lys ind i kameraet.
- Indstille ønskede billedhastighed, opløsning og lukkertid af high-speed kamera. En rammehastighed på 5000 fps, 800 x 600 opløsning, blænde størrelse 1/16, og en lukkertid på 1 µs blev brugt i dette arbejde.
- Placer den lysspreder foran lyskilden, som vist i figur 1 c, at sikre, at lyset er ensartet spredt på tværs af det billeddiagnostiske område.
- Magt på lyskilden at bekræfte ensartet spredning af lys over det billeddiagnostiske område.
2. kalibrering
Bemærk: Se figur 3.
- Sætte en lineal i filmen flowretning (præcis på stedet af virkning) og opnå snapshots af målte punkter på film overflade.
- Gentag 2.1 men med lineal i den spanwise retning.
- Brug ovenstående til at opnå de rumlige beslutninger om filmen overflade.
3. videooptagelse og dataopsamling
- Når filmen flow er etableret på riggen, start sprøjten pumpe og observere virkningen af den dryppende dråber på film overflade.
- Start funktionsgenerator og observere produktionen af spatiotemporally almindelige bølger på film overflade.
- Sikre successive dråber påvirker de forskellige regioner af kontrollerede film overflade.
- Observere efter udløsning stel nummer og indstille dette til ca. halvdelen af videolængden at fange tilstrækkeligt indvirkning.
- Tænd for lyskilde og udløser billedcapture når forekommer en virkning.
- Sluk lyskilden når billedcapture er færdig at undgå overophedning af den flydende film.
- Visuelt analysere de opnåede snapshot på computerskærmen. Kontroller, at hvis virkningen er sket på en af de flade film, kapillær bølge, eller bølge pukkel regioner.
- Trim ned video til den del, der viser indvirkning processen og gemme billedudsnit i en video/billede format.
- Gentag 3,5-3,8 og post individuelle indvirkning på alle områder på overfladen film viz. ensom pukkel, kapillær bølger og flad film.
4. billedet efterbehandling og analyse
- Placer en lineal i synsfeltet og beregne den rumlige opløsning ved at tælle, hvor mange pixels passer over 1 cm. ved hjælp af kalibrering billede, opnå en skala faktor for billedet dimension måling.
- Sammenligne resultater forløb indvirkning på regionerne forskellig indvirkning fra højhastigheds-billeder. Check at se bemærkelsesværdige forskelle.
- Ved hjælp af en passende MATLAB-billedbehandling rutine, måle funktionerne Karakteristik af produktet af indvirkning proces: viz. i tilstanden sprøjt måle krone højde, diameter, vægtykkelse, vippe vinkel, crown-vender retning, antal og størrelse distribution af skubbet sekundære dråber.
- Foretage lignende kvantitative analyser som 4.3 ovenfor for lav-Weber virkninger. Grev knivspids-off tid af satellit dråber fra de tid-indrammede billeder og måle apex længden og bredden af kolonnen dannet i delvis sammensmeltning før knivspids-off af sekundære dråber. Måle størrelsen af skubbet sekundære dråber. Tæl antallet af cascade i en gentagen proces, knivspids-off.
- Overhold alle kvalitative forskelle i hver region.
Representative Results
Det væsentlige, to kategorier af påvirkninger blev undersøgt; først var for dråber med lav inerti (dvs., drop Weber nummer, (vid= ρdu2/σ) spænder fra 3.1 til 24,0 mens andet var for dråber med høj inerti (i.e.,Wed 94 til 539) resulterer i en splash resultatet. Den samme forsøgsmetoden, dog blev fulgt for begge undersøgelser. Andre relaterede dimensionsløs mængder anvendes i undersøgelsen omfatter film Reynolds tal (Re = ρq/wµ, lige mellem 55,5 og 333), filmen Weber nummer (vi = ρhNuN2 /Σ, lige mellem 0.1061 og 2.1024), drop Ohnesorge nummer (Oh = µ/ (ρσd)1/2, lige mellem 0.0018 og 0,0025) og Kapitza (Ka = σρ1/3/g 1/3 µ 4/3, som blev beregnet til 3363 for vand). Nusselt filmtykkelse (hN = [(3µ2Re)/(Rho2gsinβ)]1/3) fandtes at vifte fra 4.034 x 10-4 til 7.328 x 10-4 m, mens Nusselt film hastighed (uN = RhogsinβhN2/3µ) blev fundet til området fra 0.1376 til 0.4545 m/s. For alle ovenstående ligninger er q strømningshastigheden film, varierende mellem 0.001667 og 0,01 m3/s; Β er substrat hældning vinkel, fast på 15˚ til det vandrette plan; µ og Rho er viskositet og tæthed, henholdsvis vand anslået til 0,001 Pa s og 1000 kg/m3; Σ er overfladespænding kraft (0.072 N/m); og g er den gravitationelle kraft (9,81 m/s2).
I lav inerti konsekvenser, tendenserne observeret, selvom lidt tilsvarende (figur 4), udstillet en række udpræget spottable forskelle. Først var det generelt bemærket, at størrelsen af satellit drop produceret på bølge pukkel region var altid større sammenlignet med andre regioner af betydning. Set i bakspejlet, blev modsat fundet sande på regionen kapillær bølge. Satellit dråber var altid meget små. Dette sker fordi den radiale bølge produceret af påvirker drop bliver undertrykt af de eksisterende kapillær krusninger. Som følge heraf er yderligere bølgeudbredelse til lodret aflang dråbe hæmmet, hvilket resulterer i fald mister dets potentiale til at udvikle en tilstrækkelig lang lodret kolonne, dermed fører til udslyngning af kun lille sekundære dråber fra de slanke søjler dannet. Det konstateredes også, at tendensen til en kaskade blev meget reduceret på den bølge pukkel i forhold til andre regioner. I alle tilfælde undersøgt, produktet af delvis sammensmeltning, næppe oplevede en anden delvis sammensmeltning, mens på en flad film, op til tre til fire overholdes. Kolonnen højde blev også observeret til at være højere og mest vippes i strømningsretningen på bølge pukkel regionen sammenlignet med andre regioner.
På flade film regionen sammenlignet med andre regioner af betydning er der en stigning i tendensen til en hoppende resultatet. Dette sker på grund af den stærke smøring kraft udøves på dråbe af denne flade tyndfilm, som bremser dræning/udtynding af de mellemliggende luft lag mellem drop og film, derved forhindre fusionen. Dette da resulterer i den observerede drop deformation samt den endelige lift-off. I sammenligning, virkninger på den bølge pukkel er mere tilbøjelige til delvis sammensmeltning, dels på grund af tykkelsen af filmen, fravær af allerede eksisterende bølger (som findes i regionen kapillær bølge), og endelig den reducerede smøring kraft forårsaget af flow recirkulation i denne region. Disse kumulativt resultere i generation af noget længere kolonner end dem, der produceres på andre områder.
Med en stigning i flydende film strømningshastighed (dvs. film Re); virkninger på de kapillære bølger ofte resulteret i en blid glidende af drop kapillær bølge uden fusionen (Se figur 5a-5 h). Denne rullende drop (figur 5 d-5f) senere derefter klatrer på kommende ensomme pukkel (figur 5 g og 5 h) hvor det oplever en delvis sammensmeltning (ikke vist). Men resultatet af indvirkning på regionen flad film ændringer fra en stabil delvis sammensmeltning at favorisere de hoppende tilstand. For så vidt angår indvirkningen på den kapillære bølge førte stigningen i filmen Re til nærmere toppede kapillær bølger, som derefter fungerede som en "pude" som drop "Red", derfor den observerede glidende af dråberne. På mindst Reer en meget hurtig klemme ud af drop normalt observeret på regionen flad film (i størrelse 90% af den oprindelige drop), med denne drop oplever nogle "dans" tilstand, før det senere fletninger og resulterer i en normal delvis sammensmeltning. Dette er dog ikke observeret på andre områder af den kontrollerede film.
Med en stigning i drop vid, det blev observeret at kolonnen højde øges både på regionen flad film og bølge pukkel men reduceret på regionen kapillær bølge.
Endelig, med en stigning i drop størrelse, længere og bredere kolonner blev observeret på regionen flad film, hvilket igen gav anledning til en større satellit-drop. Men på den bølge pukkel, var dette ikke overholdes, i stedet, en overgang til samlede sammensmeltning blev observeret. Den kapillære bølge førte stigningen i drop størrelse til reduceret glidende drop og en overgang til delvis sammensmeltning. Det største fald, viste imidlertid næsten straks samlede sammensmeltning. En sammenfatning af disse resultater præsenteres i tabel 1.
Ud over droplet velocity 1,70 ± 0,03 m/s, en splash resultatet er observeret i alle tre regioner på film overflade (figur 6). Men selvom et lignende resultat er observeret samt i dette regime, slående forskelle er observeret i morfologi af crown dannet-dens højde, diameter, vægtykkelse, tilt vinkel, samler tid samt antallet og størrelse-distribution af skubbes ud sekundære dråber.
I "bølge pukkel region" er crown struktur forskellig fra i 'kapillær' og «flade film regioner», som dens form er mere regelmæssige. Det også besidder en tykkere crown væg og krone højde er højere end de observerede i 'kapillær' og "flade film regioner". Der er også færre sekundære dråber skubbet ud fra dens rand i forhold til kroner dannet i de øvrige regioner. Endelig er sammensmeltning længere observeret før kronen er fejet væk af den flydende film.
I 'kapillær bølge' og 'flade film region' er kroner dannet også helt anderledes baseret på en række funktioner. Det konstateredes først, at den bageste højde på kronen er påvirket af de kapillære pukler samt flow tilbageførsel dynamikken i denne "kapillær bølge region", dermed forårsager kronen dannet skal vises mere oprejst. Dette flow tilbageførsel resulterer i transport af flydende masse bagud, hvilket øger bageste højden af kronen dannet. Dette, er dog ikke observeret på de flade film: kronen vippes naturligt i flydende flowretning og hælder endda yderligere med stigende Re. Dette tilt kan observeres i både opstrøms og nedstrøms enderne af kronen. I sammenligning, på de kapillære bølger, som filmen Re er øget, synes bagsiden af kronen at blive mere oprejst på en måde helt modsat, at observeret på flad film. Crown højden på den flade film er dog højere end på de kapillære bølger på grund af indespærring af substratet. Der er også en hurtigere indsættende sekundære droplet udslyngning fra crown rand på kapillær bølgerne i forhold til på flad film. Endelig, mere sekundær dråber er skubbet ud på kanten af kronen på flad film end på kapillær bølger.
Tidsmæssige udvikling af kronen viser en svag afhængighed af crown diameter på film Re i alle regioner af strømmen. Den svageste afhængighed Re er observeret i wave pukkel-regionen. I "flad film region", er krone højde observeret at øge med Re som forventet, da større Re er forbundet med tykkere film. Graden af crown hældning retning strømmen er også højere med stigende Re i 'flad film' og "bølge hump" regioner; denne effekt, men synes at være mindre udtalt i kapillær bølge-regionen.
I «bølge pukkel region», der er færre sekundære dråber bortvist med stigende Re. Der synes at være en lidt svag afhængighed af crown højden på Re, mens der er et fald i crown samler tid med stigende Re, som er et resultat af øget hastighed af den flydende film, som forekommer virkningen, som hurtigt fejer den samler krone væk fra det oprindelige indvirkning punkt. Der er også en ændring i hældningen af kronen i 'bølge pukkel region' afhængigt af konkurrencen mellem inerti af påvirker drop og den flydende film. Lavere Re, kronen vender retningen downstream mens højere Re værdier, det vender den upstream (figur 7). Denne tendens er ikke observeret i 'kapillær bølge' og "flade film regioner".
I "kapillær bølge region", er flere sekundære dråber observeret ved lavere Re. Der er også en stigning i den samlede krone højde med Re, og på lavere Re, droplet udslyngning er hovedsagelig i den streamwise retning (med krone rand højere foran end bagtil og også vippes mere i retning af den streamwise retning). Højden bliver mere symmetrisk på højere Re, som menes at være som følge af den balancerende virkning af de højere pukler som kapillar bølger besidder deres bag, dermed balancering-off crown fælg højde på bagsiden.
Med drop Weber virkning, kan det bemærkes, at crown diameter stiger i et højere tempo med stigende vid; den største sats er forbundet med bølge pukkel-regionen. Yderligere forskelle observeret i antallet og størrelsen distribution af skubbet sekundære slipværktøjet i denne sprøjt regime er vist i figur 8 og figur 9, henholdsvis. En sammenfatning af disse resultater er præsenteret i tabel 2.
Figur 1: eksperimenterende rig. (A) skematisk fremstilling af den eksperimentelle rig, består af en faldende film enhed for strømmen af flydende film på en skrå glas substrat; en film kontrolenhed (bestående af en magnetventil forbundet på tværs af en lagres ikke relæ via erhvervelse datakort og en funktionsgenerator, som sender automatiseret signal styre åbning og lukning af magnetventil); en sprøjten pumpe bruges til generation af dråber af kontrollerede størrelser fra beregnede højder over film overflade, og en høj hastighed kamera til digital billedbehandling. De opnåede resultater er analyseret på computersystemet. Gengivet fra Anne & Eriks 201715 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. (B) en billedlig opfattelse af riggen. (C) - (D) billedlig beskrivelse af belysning arrangement. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: effekten af filmen kontrol på bølge evolution dynamik på en flydende flydende film. (A) Shadowgraph billede af filmen overflade før filmen kontrol. Filmen er karakteriseret ved tilstedeværelsen af naturligt skiftende bølger som er stokastiske i naturen og udviser irregulære spatiotemporelle dynamics. (B) Shadowgraph billede af filmen overfladen efter tvinger. Bølgerne er spatiotemporally almindelig og forudsigelig, rendering bidrag fra den rumlige struktur til at droppe indvirkning let at studere. (C) ensom bølge dannelse på en kontrolleret strømmende væske film fremhæver de forskellige regioner på film overflade nemlig kapillær bølge, flad film og bølge hump regioner. (D) Magnified opfattelse af en ental bølge struktur viser profilen flow i hver enkelt zone. Gengivet fra Anne & Eriks 201715 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: rumlige opløsning på 5000 fps. Med et substrat hældning vinkel af 15˚ beregnes den rumlige opløsning skal 67,5 µm/pixel og 46,6 µm/pixel i streamwise og spanwise retning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: effekt af filmen kontrol på resultatet af lav inerti dråber påvirker forskellige regioner af en kontrolleret strømmende film, kontrast mod en ukontrolleret film. Dråben falder-højden er 0,005 m, drop størrelse er 3,3 mm, filmhastighed er 5 x 10-3 m3/s, tvinger frekvens er 2 Hz, svarende til filmen Re 166.5, drop, vi 3,134 og Oh 0.0021. Drop tilgange film overflade (a) og på kontakt (b), udløser dræning af de mellemliggende luft lag mellem det og filmen. Disse resultater i deformationen af figuren drop og en radial spredning af kapillar krusninger på overfladen film indledt på indvirkning punkt (c-d). Når luft lag er bristet, er en fusion af flydende drop med flydende filmen observerede (e) og en lodret vækst af cylindrisk flydende kolonne (i en delvis/total sammensmeltning sag). Dette efterfølges af en forud for kapillær bølger på kolonnen dannet, som elongates det. Endelig, en knivspids-off af en satellit drop er observeret (g-h), i en delvis sammensmeltning sag, som er af mindre størrelse til den oprindelige mor dråbe. En gentagelse af sammensmeltning processen ses så godt (i-j). Kvalitative forskelle ses i resultaterne observeret (enten hoppende eller glidende eller delvis sammensmeltning) og tilstedeværelsen af en kaskade; mens kvantitative forskelle er observeret i knibe-off tid, størrelse (højde og bredde) af den flydende kolonne dannet, størrelsen af skubbet satellit, drop og cascade point. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Droplet glidende på regionen kapillær bølge i en kontrolleret strømmende film. Dråbe diameter er 2,3 mm, med en fall højde på 0,008 m mens filmen flow sats er 10 x 10-3 m3/s, svarende til Oh = 0.0024, vid = 5.014, og film Re = 333, henholdsvis. Tvinger blev gennemført på 2 Hz. (a) tilgang. (b) kontakt. (c-f) Rullende drop. (g-h) Klatring de modkørende ensomme pukkel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: effekt af filmen kontrol på sprøjt fænomener på de forskellige regioner i indvirkning på en kontrolleret strømmende film, kontrast mod en ukontrolleret film. Dråbe diameter er 3,3 mm, med en fall højde på 0,25 m mens filmen flow sats er 5 x 10-3 m3/s, svarende til Oh = 0.0021, vid = 224.8, og film Re = 166.5, henholdsvis. Tvinger blev gennemført på 2 Hz. Den flydende drop tilgange film overflade (a) og straks efter kontakt (b), udvikler en udkastninger ark, som vokser ind i en krone (c). Den voksende krone (d-e) senere udbytter til en Rayleigh-Plateau ustabilitet, hvilket fører til udslyngning af små dråber fra dens rand (f-j). Kronen kollapser bagefter og coalesces med film (k), der transporteres væk af den modkørende flow. De unikke forskelle i virkningen resultat på de enkelte regioner af betydning ses i størrelse (højde og diameter) krone dannede, antallet og størrelse distribution af skubbet sekundære dråber, graden af crown vippe, vægtykkelse, krone vender retning og endelig sammensmeltning tid. Gengivet fra Anne & Eriks 201715 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: effekt af filmen Reynolds og drop Weber på crown formering i 'bølge pukkel region'. Dråbestørrelse er 3,3 mm, svarende til Oh = 0.0021 og drop fall højder var varierede fra 0.20 til 0,35 m (svarer til vid = 179.8-314.7) mens Re er inden for rækkevidde af 55,5 til 333. De røde diamanter skildrer resultater med kronen vender den nedstrøms retning, mens de blå diamanter Vis upstream-vender mod crown resultater. Crown hældning er påvirket af konkurrence mellem inerti af påvirker drop og den flydende film. Specifikt, på lav Re, kronen er tilbøjelige til at den streamwise retning men som inertien i den flydende film får betydning, retning ændres og ansigter opstrøms. Denne krone-upstream-vender retning bevares over en Re værdi af ca. 250 uanset størrelsen af vid. Gengivet fra Anne & Eriks 201715 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: Variation af antallet af sekundære dråber bortvist fra crown rand i regionerne forskellige effekt i en kontrolleret film (viz 'kapillær bølge', 'flad film' og 'bølge pukkel' regioner, vist fra venstre mod højre, henholdsvis) kontrast mod en ukontrolleret film. Dråbestørrelse er 3,3 mm svarende til Oh = 0.0021 og drop højder har været varierede fra 0.20 til 0,35, hvilket resulterer i indvirkning hastigheder inden for rækkevidde 1.981-2.621 m/s (svarer til vid = 179.8-314.7). De Røde rektangler skildrer drop fall højden af 0,35 m, grønne diamanter 0,3 m, blå cirkler 0,25 m og orange firkanter 0,2 m, henholdsvis. Antallet af skubbet sekundære dråber stigning med drop, vi i alle regioner, mens ujævn er observeret med filmen Re stigning: på den bølge pukkel, der er et fald i antallet af skubbet sekundære dråber mens på både kapillær bølge og fladt film områder, der er en svag stigning. En dukkert er bemærket omkring filmen Re 166.5 til den kapillære bølge, der opstår som følge af konkurrencen mellem de tangerer hastigheder af drop og filmen. Den uforholdsmæssige tendens observeret på ukontrolleret film menes at opstå som følge af den stokastiske karakter af bølger på film overflade. Gengivet fra Anne & Eriks 201715 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: effekten af indvirkning region på den størrelse fordeling af skubbet sekundære slipværktøj på en kontrolleret film kontrast mod en ukontrolleret film. Drop størrelse er 3,3 mm, mens filmen strømningshastighed er 5 x 10-3 m3/s svarende til en film Re 166.5 og slip Oh 0.0021. Drop's fall højder er 0,2, 0,25, 0,3 og 0,35 m svarende til vid 179.8, 224.8, 269.8 og 314.7 henholdsvis. På den kapillære bølge, formen af fordelingen er stort set uforandret med Weber nummer stigning, men en mærkbar stigning i antallet af dråber af intervallet 0,5 til 1,0 mm. På de flade film, men størrelse distribution er observeret for at variere fra 0 til 2,0 mm, og et skift er observeret mod 0 til 0,5 mm størrelse dråber, som Weber antallet er øget. Denne stigning i antallet af små dråber bortvist skelner klart regionen flad film fra andre regioner. På den bølge pukkel viser størrelse distribution, at store dråber i rækken (1,0 til 2.0 mm) er skubbet ud selv for de mindste Weber nummer undersøgt. I modsætning til ovenstående udviser drop størrelse distributioner tilknyttet en ukontrolleret film ikke en mærkbart forskellige form på grund af bølger på sådanne film stokastiske karakter. Gengivet fra Anne & Eriks 201715 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Parametre | Kapillar bølge region | Flad film region | Bølge pukkel region |
| Apex højden af flydende kolonne | Kort | Medium | Høj |
| Størrelsen af satellit-drop | Lille | Gennemsnit | Store |
| Cascade eksistens | Sjældne | Ja | Ingen |
| Virkning af Re øge | Glidende fænomener | Hoppende fænomener | Overgang til samlede sammensmeltning |
| Effekten af vi stigning | Aftrapper kolonne | Stigning i kolonnen højde | Stigning i kolonnen højde |
| Effekt af Oh falde | Reduceret drop glidende | Længere og bredere kolonner, større satellit dråber | Overgang til samlede sammensmeltning |
Bord 1. Parametrisk forskelle på lav-inerti droplet indvirkning dynamics på forskellige regioner af en kontrolleret strømmende film.
| Parametre | Kapillar bølge region | Flad film region | Bølge pukkel region |
| Krone form | Uregelmæssig | Uregelmæssig | Regelmæssig |
| Krone højde | Høj | Højere | Højeste |
| Crown væggens tykkelse | Tynd | Tyndere | Tyk |
| Antallet af sekundære dråber | Mere | De fleste | Lille/ingen |
| Crown tilt vinkel | Reducerer med filmen Re | Stiger med filmen Re | Vender ud over Re 250 |
| Samler tid | Hurtig | Langsom | Mere forsinket |
| Virkning af filmen Re øge | Kronen bliver mere "lodret" | Stigning i krone højde, stejlere crown-hældning i filmen strømningsretning, | Fald i antallet af sekundære dråber, ændre i crown-vender retning ud over Re 250 |
| Effekten af drop Weber stigning | Tidligere indsættende og stigning i antallet af sekundære dråber, og stigningen i crown diameter. | Stigning i antallet af sekundære dråber, krone højde og crown diameter; fald i størrelse af sekundære dråber | Stigning i antallet af sekundære dråber, krone højde, crown diameter, sammensmeltning tid og ændring i crown-vender retning. |
| Effekten af drop Åh fald | Stigning i crown diameter og højde | Stigning i crown diameter og højde | Stigning i crown diameter og højde |
Tabel 2. Parametrisk forskelle på high-inerti droplet indvirkning dynamics på forskellige regioner af en kontrolleret strømmende film (sprøjt regimet).
Discussion
I dette afsnit giver vi et par tips nødvendigt at sikre kvalitative resultater fra protokollen. Det første glas substrat som flydende film strømme skal holdes helt snavs-fri til at sikre, at egenskaberne af den flydende film holdes kompromisløs. Dette opnås ved regelmæssig rengøring (sandsynligvis ved hjælp af et egnet rengøringsmiddel, og tørres over en bakke at undgå opløsning i systemet). Ligeledes bør der en regelmæssig udskiftning af hele test-væsken efter nogle eksperimentelle runder, at sikre nøjagtige resultater.
For det andet, væske-distribution kammeret skal være godt småmaskede redskaber og også opbevares lufttæt at sikre outflowing flydende Filmen er ensartet. Dette kan gøres ved manuelt opsugning luft ud af boksen distribution før hvert forsøg. Brugen af mikrometer-trin ved indgangen til film er også rådes til at indstille gap-højden på film indløbet til den nøjagtige filmtykkelse forudsagt af Nusselt skøn over film strømmen på den tilsvarende Reynolds tal. Dette vil forhindre en hydraulisk hoppe eller tilbageløb på fjorden.
Driften af magnetventil skal også altid kontrolleret og konstateret korrekt. Dette er fordi en passende pulsering af strømmen er forpligtet til at sikre, at produktionen af de tvungne bølger. Dette kan kontrolleres fra den regelmæssige klikkende lyd af magnetventil samt en opfattede pulsering langs rørforbindelser. Den flydende flow ind i sprøjten pumpe skal også angives omhyggeligt at sikre dråber er skubbet ud i en dryppende måde, at undgå enhver pre acceleration før den falder.
Passende kalibrering af høj hastighed kameraet skal sikres for at opnå meget præcise resultater. Blænde størrelse skal også være nøje udvalgt overvejer parametre som dybden af felt, eksponeringstid og overordnede billede lysstyrke. For kamera udløser under video optagelse, er brugernes ligeledes krævede at anslå, hvor mange frames bør registreres før udløsning. Dette kan variere med enkeltpersoner, afhængigt af slip effekt tid, dermed, flere retssag tests for at praktisere anbefales før faktiske målinger. Tilsvarende, skal lyskilden være korrekt arrangeret og godt diffust at minimere skygger i billedet.
Det er vigtigt at bemærke, og husk, at hovedvægten i undersøgelsen er bidragene fra bølger til indvirkning dynamikken i de faldende dråber, dannelsen af regelmæssige bølge strukturer er derfor afgørende for en nøjagtig undersøgelse af den underliggende fysik. I scenarier hvor bølge strukturer er observeret at hurtigt overgang til tre-dimensionelle strukturer, anbefales det, at substrat hældning vinkel være reduceret14,19 for at lette en langsommere overgang af bølge strukturer .
En begrænsning af teknikken, der er observeret i mangel af et måleinstrument, der angiver den faktiske øjeblikkelige filmtykkelse på hver region af virkningen. Dette ville have givet yderligere oplysninger om de samlede observerede fænomener.
Sammenfattende kan den procedure, der er skitseret i denne betænkning også bruges til at studere simpel bølge evolution dynamics, mens den high-speed billedbehandlingssystem beskrevet kan anvendes til mange forskningsområder med hurtig dynamics som flydende drop break-up21, 22/coalescence23, granulerede jets24, etc. hvor vigtige fænomener er observeret på en micro tidsskala.
Disclosures
Forfatterne har intet at erklære.
Acknowledgments
Dette arbejde blev sponsoreret af den råolie teknologi Udviklingsfond (PTDF, Nigeria) og Engineering og Physical Sciences Research Council, England, gennem programmet Grant MEMPHIS (grant nummer EP/K003976/1). Forfatterne også sætte pris på frugtbare drøftelser 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).
