Summary
Un protocollo per studiare i contributi delle onde alle dinamiche di impatto gocciolina su pellicole liquide che scorre è presentato.
Abstract
Impatto della gocciolina è un fenomeno molto comune in natura e attira l'attenzione grazie al suo fascino estetico e applicazioni ad ampio raggio. Gli studi precedenti sulle pellicole di liquidi che scorre hanno trascurato i contributi delle strutture spaziali delle onde per il risultato di impatto, mentre questo recentemente è stato indicato per avere un'influenza significativa sulle dinamiche di impatto di goccia. In questo rapporto, descriviamo una procedura dettagliata per studiare l'effetto di entrata periodica forzatura di una pellicola liquida che scorre, che portano alla produzione di strutture spatiotemporally regolare onda sulle dinamiche di impatto di goccia. Un generatore di funzioni in relazione a una valvola a solenoide è utilizzato per eccitare queste strutture spatiotemporally regolare onda sulla superficie del film, mentre la dinamica di impatto di taglia uniforme goccioline vengono acquisita utilizzando una telecamera ad alta velocità. Tre distinte regioni vengono poi studiate; cioè la regione di onda capillare che precede il picco dell'onda grande, la regione di pellicola piana e la regione di gobba di onda. Gli effetti delle quantità adimensionale importanti quale il film di Reynolds, goccia Weber e numeri di Ohnesorge parametrizzati dalla portata di pellicola, velocità di discesa e dimensione goccia inoltre sono esaminati. I nostri risultati mostrano interessanti, fino ad allora sconosciute dinamiche causata da questa applicazione di pellicola ingresso forzatura del film che scorre per due gocce di alta e bassa inerzia.
Introduction
Impatto della gocciolina è un fenomeno molto comune in natura e attira l'attenzione da qualsiasi osservatore curioso1. Essa costituisce un'area di ricerca attiva a causa di sue numerose applicazioni tra cui spray di raffreddamento, antincendio, stampa inkjet, rivestimento di spruzzo, deposizione di dossi di saldatura su circuiti stampati, la progettazione di motori a combustione interna, pulizia di superfici e la cella-stampa2. Sua applicazione si estende anche all'agricoltura, per esempio, aspersione irrigazione ed irrorazione3,4. Pionieristico lavoro risale al 19° secolo, con il lavoro di Worthington5, mentre solo sono stati fatti recentemente grandi progressi a causa della comparsa di imaging ad alta velocità6. Da allora, sono stati condotti studi diversi; utilizzando diversi tipi di superfici di impatto che vanno da solidi7,8, poco profonde,9 e pozze di liquido profondo10,11 a film sottili12,13.
Tuttavia, nonostante il grande volume di ricerca sull'impatto della gocciolina su superfici liquide (cioè, superficiali e profonde piscine e quiescenti films), impatto sulle pellicole liquide sottile che scorre non ha ricevuto tanta attenzione. Inoltre, finora, gli studi hanno trascurato i contributi delle strutture spaziali delle onde alle dinamiche di impatto delle gocce.
In questo rapporto, presentiamo una dettagliata procedura sperimentale per studiare il processo di impatto gocciolina su film che scorre cui dinamica è influenzati con la forzatura dell'ingresso della portata liquida; di seguito, ci riferiamo a loro come film «controllata». Troviamo che questi hanno numerose applicazioni nelle industrie multifase (ad es., nel raffreddamento torri, in colonne di distillazione e anche in regime di flusso anulare osservata in flussi bifase), soprattutto come controllo del film è diventato un importante passo nella intensificazione di calore e di trasferimento di massa in molte industrie di processo14. Si rimanda il lettore interessato al nostro lavoro precedente15 per maggiori dettagli sui risultati dei nostri sforzi di ricerca su questo.
Questa applicazione di oscillazioni di frequenza della portata aspirazione provoca la formazione di onde regolari sulla superficie del film. Ci concentriamo sulla famiglia onda solitaria, che è essenzialmente caratterizzata da cime strette ampiamente separate ed è preceduta da una serie di front running onde capillari16,17,18. Studiamo l'esito degli impatti connessi con le tre parti principali della struttura onda solitaria: il 'pellicola piana' e la 'gobba onda' regioni 'capillare onda' front running. Contrapponiamo anche questi risultati con quelli connessi con le pellicole che scorre incontrollati. I nostri risultati indicano che la natura stocastica di aspetto di onda sulla pellicola incontrollata influenza marcatamente il risultato della goccia impatto, con le regioni distinte del film controllato anche mostrando nuovi meccanismi, che abbiamo dettagliato sia qualitativamente e quantitativamente.
Nella precedente carta15, utilizzando la stessa procedura, abbiamo studiato l'effetto del film controllo sulle dinamiche di impatto gocciolina in regime di spruzzi. I risultati ottenuti hanno evidenziato differenze sia quantitative che qualitative nella morfologia corona (altezza, diametro, spessore della parete, angolo di inclinazione e direzione) così come la distribuzione di numeri e dimensione delle goccioline secondarie espulse.
In questo rapporto, descriviamo il set-up progettato per comprendere il ruolo fondamentale svolto da queste strutture spaziali nelle dinamiche di impatto della gocciolina e anche dettagli presenti succinte dei nostri risultati non solo in regime di spruzzi, ma anche per altri esiti di goccia impatto (cioè bouncing, scorrevole, coalescenza parziale/totale). Seguendo il protocollo standard descritto di seguito, l'effetto di controllo di film sulle dinamiche di impatto delle gocce possa essere studiato in modo riproducibile.
Protocol
1. sperimentale Rig installazione
Nota: Vedere la Figura 1.
-
Unità della pellicola di caduta
- Iniziare a pulire la superficie del substrato (vetro) con un panno pulito e morbido. Garantire che nessuna sporcizia si aderisce alla sua superficie, che potrebbe alterare le proprietà del liquido.
- Impostare il perno del substrato vetro sull'angolo di inclinazione desiderata. Un angolo di inclinazione, β, di 15 ˚ è stato utilizzato in questo lavoro.
- Accendere la pompa elettrica e garantire un normale flusso di liquido sulla superficie della pellicola per pulire ulteriormente il substrato di vetro. Per questo lavoro, il liquido di prova era acqua deionizzata.
- Garantire che l'intera superficie del substrato è bagnata.
- Misurare la portata di film utilizzando il misuratore di portata. Per questo lavoro, il tasso di flusso era varia tra 1,667 x 10-3 e 10 x 10-3 m3/s con il film corrispondente numero di Reynolds, Re = ρq/wµ, che spaziano tra 55,5 e 333. w è la larghezza del film cadente, 0,30 m.
- Regolare gradualmente le valvole di collegamento di mandata per ottenere la portata desiderata sul substrato di vetro.
- Regolare il set di passo micrometro all'ingresso della pellicola per il valore di spessore di pellicola Nusselt corrispondente per la portata selezionate, per evitare un salto idraulico presso l'ingresso di pellicola o un riflusso di aria nella camera di distribuzione.
- Manualmente sifone tutta l'aria nella camera di distribuzione per ottenere un flusso uniforme a valle sulla superficie del film.
-
Unità di controllo pellicola
- Assicurarsi che il generatore di funzione è collegato all'elettrovalvola attraverso un relè senza ritenuta tramite una scheda di acquisizione dati (DAC).
- Accendere il generatore di funzione e l'elettrovalvola.
- Impostare il generatore di funzioni per la frequenza di forzatura desiderata. In questo lavoro, frequenze Hz 2 e 3 sono state usate.
- Scegliere il segnale desiderato onda (onda sinusoidale, onde a dente di sega, onda quadra, ecc.). In questo lavoro, è stato utilizzato un segnale sinusoidale. Figura 2A e 2B mostrano il contrasto tra un film incontrollato e una controllata.
-
Sistema di generazione di goccia
- Collegare un tubo plastico pulito una siringa piena d'acqua.
- Inserire la siringa il generatore della gocciolina.
- Apporre una siringa di dimensioni selezionate (a seconda del diametro desiderato gocciolina) l'altra estremità del tubo di plastica. La gamma di diametro gocciolina studiata era tra 0,0023 a 0,0044 m.
- Regolare l'altezza di caduta della goccia sopra la superficie della pellicola. In questo lavoro, altezza di caduta della goccia è stato variato da 0,005 a 0,45 m, dando la velocità di impatto tra 0,30 ± 0.02 - 2.96 ± 0.06 m/s.
- Allo stesso modo, è possibile impostare il punto di impatto longitudinale della goccia dall'ingresso di pellicola. Questa è stata impostata su 0,3 m in quest'opera affinché che le onde sono ben formate prima dell'impatto.
- Impostare una portata desiderata per la pompa a siringa.
- Regolare il flusso per ottenere una frequenza di generazione di gocciolina maggiore della lunghezza d'onda delle onde formate sulla superficie del film; affinché le gocce successivamente incidono sulle diverse regioni del film controllato. Vedere Figura 2; con un ingrandimento di una singolare forma d'onda in Figura 2D per mostrare le differenze nel profilo di flusso sotto ogni regione19,20.
-
Installazione di imaging ad alta velocità
- Posizionare la fotocamera su un treppiede (o qualsiasi altro accordo adatto).
- Selezionare l'obiettivo macro con lunghezza focale desiderata e collegare questo alla fotocamera.
- Accendere la fotocamera ad alta velocità e garantire la messa a fuoco diretto sulla superficie del film. Allineare la telecamera alle deviazioni orizzontali e verticali, 7˚ e 12˚, rispettivamente per la superficie della pellicola. Questo dà un'ottima immagine di lato-vista del processo di impatto, risultante in una risoluzione di 67,5 µm/pixel e 46,6 µm/pixel in direzione longitudinale e spanwise, rispettivamente.
- Regolare il fuoco dell'obiettivo della fotocamera (presso la più grande apertura) utilizzando un elemento di taratura posizionato esattamente sull'impatto delle gocce spot.
- Una volta ottenuta una messa a fuoco nitida, ridurre l'apertura per garantire solo una piccola quantità di luce che entra nella fotocamera.
- Impostare la frequenza di aggiornamento desiderata, la risoluzione e la velocità dell'otturatore della macchina fotografica ad alta velocità. Un frame rate di 5000 fps, risoluzione 800x600, aperture size 1/16, e una velocità di scatto di 1 µs sono stati utilizzati in questo lavoro.
- Posizionare il diffusore di luce davanti alla fonte di luce, come mostrato nella Figura 1, per garantire che la luce viene diffusa uniformemente in tutta la regione di imaging.
- Accendere la fonte di luce per confermare la diffusione uniforme della luce sopra l'area di imaging.
2. taratura
Nota: Vedere la Figura 3.
- Mettere un righello nella direzione del flusso di pellicola (esattamente sul luogo dell'impatto) e ottenere istantanee di punti misurati sulla superficie del film.
- Ripetere a 2,1 ma con il righello in direzione spanwise.
- Utilizzare quanto sopra per ottenere le risoluzioni spaziali sulla superficie del film.
3. registrazione video e acquisizione dati
- Una volta stabilita la portata di pellicola su rig, avviare la pompa a siringa e osservare l'impatto delle gocce gocciolare sulla superficie del film.
- Avviare il generatore di funzione e osservare la produzione di onde spatiotemporally regolari sulla superficie del film.
- Garantire abbassamenti incidono le diverse regioni della superficie del film controllato.
- Osservare post-l'intervento numero di telaio e impostare questo approssimativamente alla metà della lunghezza dei video per catturare adeguatamente l'impatto.
- Accendere la sorgente luminosa e il grilletto la cattura delle immagini una volta che si verifica un impatto.
- Spegnere la fonte di luce una volta completata per evitare il surriscaldamento del liquido film cattura delle immagini.
- Analizzare visivamente l'istantanea ottenuta sullo schermo del computer. Controllare per vedere se si è verificato l'impatto su uno della pellicola piana, onda capillare, o Gobba regioni delle onde.
- Rintuzzare il video alla parte mostrando il processo di impatto e salvare l'intervallo di fotogrammi in un formato di video e immagini.
- Ripetere 3.5-3.8 e record individuo impatto su tutte le regioni sulla superficie del film, vale a dire. solitario gobba, onde capillari e pellicola piana.
4. analisi e post-elaborazione delle immagini
- Posizionare un righello nel campo visivo e calcolare la risoluzione spaziale contando quanti pixel misura attraverso 1 cm. utilizzando l'immagine di calibrazione, ottenere un fattore di scala per la misurazione delle dimensioni immagine.
- Confrontare i risultati del processo di impatto sulle regioni impatto diverso dalle immagini ad alta velocità. Verificare notevoli differenze.
- Utilizzando una routine di elaborazione MATLAB adatta, misurare le caratteristiche caratteristiche del prodotto del processo di impatto: cioè nella modalità di spruzzatura, misurare l'altezza della corona, diametro, spessore della parete, angolo, direzione rivolto a corona, numero e dimensione di inclinazione distribuzione di goccioline secondarie espulse.
- Svolgere analisi quantitative simili come 4.3 sopra per gli impatti di basso-Weber. Conteggio tempo il pizzico del satellite scende dalle immagini incorniciate da tempo e misura la lunghezza di apex e la larghezza della colonna formata in coalescenza parziale prima del pizzico di gocce secondari. Misurare le dimensioni delle gocce secondari espulsi. Contare il numero di cascata in un processo ripetuto pinch-off.
- Osservare tutte le differenze qualitative in ogni regione.
Representative Results
In sostanza, sono state studiate due categorie degli impatti; il primo è stato per gocce a bassa inerzia (cioè, goccia numero di Weber, (cid= ρdu2/σ) che vanno da 3.1 a 24.0 mentre la seconda era per gocce con elevata inerzia (i.e.,Wed 94 a 539) conseguente risultato iniziale. Tuttavia, è stata seguita la stessa procedura sperimentale, per entrambi gli studi. Altre relative quantità adimensionale utilizzato nello studio includono il film numero di Reynolds (Re = ρq/wµ, che spaziano tra 55,5 e 333), il film numero di Weber (ci = ρhNuN2 /Σ, che spaziano tra 0.1061 e 2.1024), la goccia numero di Ohnesorge (Oh = µ/ (ρσd)1/2, che spaziano tra 0,0018 e 0,0025) e il numero di Kapitza (Ka = σρ1/3/g 1/3 µ 4/3, che è stata calcolata per essere 3363 per acqua). Lo spessore del film di Nusselt (hN = [(3µ2Re)/(ρ2gsinβ)]1/3) è stato trovato per gamma da 4.034 x 10-4 a 7.328 x 10-4 m, mentre il Nusselt film velocità (uN = ρgsinβhN23µ) è stato trovato per gamma da 0.1376 0.4545 m/s. Per quanto sopra equazioni, q è la portata di pellicola, variando fra 0.001667 e 0.01 m3/s; Β è l'angolo di inclinazione del substrato, fissato a 15 ˚ orizzontale; µ e ρ sono la viscosità e la densità, rispettivamente, di acqua stimata 0,001 Pa s e 1000 kg/m3; Σ è la forza di tensione superficiale (0,072 N/m); e g è la forza di gravità (9,81 m/s2).
Gli impatti a bassa inerzia, le tendenze osservate, anche se un po' simile (Figura 4), ha esibito una serie di differenze osservabili distintamente. In primo luogo, generalmente si è notato che la dimensione della goccia satellitare prodotta sulla regione di gobba onda era sempre più grande rispetto alle altre regioni dell'impatto. In retrospettiva, l'opposto è stato trovato vero sulla regione onda capillare. Le gocce di satellitare erano sempre molto piccole. Ciò si verifica perché l'onda radiale prodotta dalla goccia impattante diventa soppressa dalla Increspature capillare inesistente. Di conseguenza, ulteriore propagazione dell'onda di allungare verticalmente la goccia è inibita, che provoca la caduta di perdere suo potenziale per sviluppare una colonna verticale sufficientemente lungo, quindi leader per l'espulsione del solo piccole gocce secondari da esili colonne formato. Inoltre è stato osservato che la tendenza di una cascata è stata molto ridotta sulla gobba onda rispetto ad altre regioni. In tutti i casi esaminati, il prodotto di coalescenza parziale, appena sperimentato un altro coalescenza parziale, mentre su una pellicola piana, fino a tre a quattro sono osservati. L'altezza della colonna inoltre è stato osservato per essere più alto e più inclinata nella direzione del flusso sulla regione di gobba onda rispetto ad altre regioni.
Sulla regione pellicola piana rispetto ad altre regioni dell'impatto, c'è un aumento nella tendenza di un risultato che rimbalza. Ciò si verifica a causa della forte lubrificazione forza esercitata sul drop da questa sottile pellicola piana, che rallenta il drenaggio/assottigliamento dello strato di aria intermedi tra la goccia e la pellicola, impedendo così la fusione. Quindi questo provoca la deformazione osservata goccia così come l'eventuale decollo. In confronto, gli impatti sulla gobba dell'onda sono più inclini a coalescenza parziale, parzialmente a causa dello spessore del film, l'assenza di onde pre-esistenti (come si trova nella regione onda capillare), e infine la forza ridotta lubrificazione causata da ricircolo di flusso in in questa regione. Questi cumulativamente causare la generazione di colonne piuttosto più lunghe rispetto a quelli prodotti in altre regioni.
Con un aumento nel tasso di flusso di film liquido (cioè, pellicola Re); impatti sulle onde capillari provocato spesso un dolce scivolamento della goccia dell'onda capillare senza fusione (vedere Figura 5a-5h). Questo calo di rotolamento (Figura 5d-5f) più successivamente allora si arrampica la gobba solitaria in arrivo (Figura 5 g e h 5) dove si sperimenta una coalescenza parziale (non mostrata). Tuttavia, il risultato dell'impatto sulla regione pellicola piana cambia da una coalescenza parziale costante per favorire la modalità che rimbalza. Nel caso l'impatto sull'onda capillare, l'aumento nel film Re ha condotto a più molto attentamente con visiera onde capillari che poi ha agito come un "cuscino" su cui la goccia "cavalcato", quindi la scorrevole osservato delle gocce. Presso l' almeno Re, una presa molto veloce fuori goccia è osservata solitamente sulla regione pellicola piana (di dimensione 90% della goccia iniziale), con questo calo sperimentando alcune modalità di "dancing", prima che più tardi si fonde e si traduce in una normale coalescenza parziale. Questo non è, tuttavia, osservato in altre regioni del film controllato.
Con un aumento in discesa cid, è stato osservato che la colonna altezza aumentata sia sulla regione pellicola piana e la gobba onda ma ridotto sulla regione onda capillare.
Infine, con un aumento nella dimensione delle gocce, più lunghe e larga le colonne sono state osservate sulla regione pellicola piana, che a sua volta ha dato luogo a una goccia più grande satellite. Tuttavia, sulla gobba onda, questo non è stato osservato, invece, è stata osservata una transizione a coalescenza totale. Sull'onda capillare, l'aumento della dimensione delle gocce ha portato allo slittamento ridotto il drop e una transizione a coalescenza parziale. La goccia più grande, tuttavia, ha reso quasi immediatamente a coalescenza totale. Un riassunto di questi risultati è presentato nella tabella 1.
Di là della gocciolina velocità 1.70 ± 0.03 m/s, un risultato di spruzzo è osservato in tutte le tre regioni sulla superficie del film (Figura 6). Tuttavia, anche se un risultato simile si osserva anche in questo regime, vistose differenze si osservano nella morfologia della corona formata, la sua altezza, diametro, spessore della parete, angolo di inclinazione, tempo di coalescenza, nonché numero e distribuzione delle dimensioni di espulso goccioline di secondarie.
Della regione' onda gobba', la struttura Corona è diversa da quella in 'capillare' e 'flat regioni film', come la sua forma è più regolare. Possiede anche una parete più spessa corona e l'altezza della corona è superiore a quella osservata nel 'capillare' e 'flat regioni pellicola'. Ci sono anche meno goccioline secondarie espulsione dal suo bordo in confronto con le corone formate nelle altre regioni. Infine, un tempo più lungo di coalescenza è osservato prima la corona è spazzata via dalla pellicola che scorre.
Nel 'capillare onda' e 'pellicola piana nella regione', le corone formate sono anche abbastanza differente basato su una serie di caratteristiche. In primo luogo, è stato osservato che l'altezza posteriore della corona subisce le gobbe capillare, così come le dinamiche di inversione di flusso in questa regione di capillare onda' ', causando quindi la corona formata per apparire più eretta. Questa inversione di flusso comporta il trasporto di massa liquida con le versioni precedenti che aumenta l'altezza posteriore della corona formata. Questo, tuttavia, non viene osservato sulle pellicole piane: la corona è naturalmente inclinata nella direzione di flusso del liquido e si inclina ulteriormente con l'aumento di Re. Questa inclinazione può essere osservata in entrambe le estremità a Monte e a valle della corona. In confronto, le onde capillari, come la pellicola che re è aumentato, il lato posteriore della Corona sembra diventare più 'verticale' in un modo tutto opposto a quello osservato sulle pellicole piane. L'altezza della corona sulla pellicola piana è tuttavia, superiore a quella sulle onde capillari dovuto la relegazione del substrato. C'è anche una più rapida insorgenza dell'espulsione di gocciolina secondario dal cerchio corona, sulle onde del capillare rispetto a quella sulle pellicole piane. Infine, altre goccioline secondarie vengono espulsi sul bordo della corona sul film piani di quella su onde capillari.
Evoluzione temporale della corona Mostra una dipendenza debole del diametro della corona sulla pellicola Re in tutte le regioni del flusso. La dipendenza più debole Re è osservata nella regione' onda gobba'. Nella regione' pellicola piana, l'altezza della corona è osservato per aumentare con Re come previsto, poiché i più grandi Re sono associati con pellicole più spesse. Il grado di inclinazione della corona verso la direzione del flusso è inoltre più alto con l'aumento del Re nel 'pellicola piana' e 'onda gobba' regioni; Questo effetto, tuttavia, sembra essere che meno pronunciato nella regione' capillare onda'.
Della regione' onda gobba', ci sono meno goccioline secondarie espulsione con l'aumento di re. Ci sembra essere una dipendenza un po' debole dell'altezza della corona, il Re, mentre c'è una diminuzione del tempo di coalescenza di corona con l'aumento di Re, che è il risultato della maggiore velocità della pellicola che scorre su cui avviene l'impatto, che rapidamente spazza la coalescenza corona lontano dal punto di impatto originale. C'è anche un cambiamento nell'inclinazione della corona nella regione' onda gobba' a seconda della concorrenza tra l'inerzia della goccia impattante e quella del film che scorre. Presso inferiore Re, la corona si trova di fronte la direzione a valle, mentre a valori più elevati di Re , si affaccia a Monte (Figura 7). Questa tendenza non è osservata nelle 'regioni pellicola piana' e 'capillare onda'.
Nella regione' capillare onda', si osservano più goccioline secondarie inferiore Re. C'è anche un aumento dell'altezza complessiva di corona con Re, e, al più basso Re, espulsione della gocciolina è principalmente nella direzione longitudinale (con il bordo della corona superiore nella parte anteriore rispetto al posteriore e anche inclinato più verso il longitudinale direzione). L'altezza diventa più simmetrica al più alto Re, che si crede di essere l'effetto bilanciamento delle gobbe superiore quali onde capillari possiedono nella loro posteriore, quindi bilanciamento-fuori l'altezza del cerchio corona sul retro.
Con la caduta di effetto di Weber, si può osservare che il diametro della corona aumenta a un ritmo maggiore con l'aumento di abbiamod; il maggior tasso è associato con la 'regione di gobba onda'. Ulteriori differenze osservate nel numero e distribuzione delle dimensioni della goccia secondaria espulsa in questo regime spruzzi sono mostrati in Figura 8 e Figura 9, rispettivamente. Un riassunto di questi risultati è presentato nella tabella 2.
Figura 1: sperimentale rig. (A) rappresentazione schematica dell'impianto di perforazione sperimentale, comprendente la caduta unità di pellicola per il flusso di film liquido su un substrato di vetro inclinate; un'unità di controllo pellicola (consistendo di un'elettrovalvola collegata attraverso un relè senza ritenuta tramite scheda di acquisizione dati e di un generatore di funzione che invia il segnale automatico comandare l'apertura e la chiusura dell'elettrovalvola); una pompa a siringa utilizzata per la produzione di goccioline di dimensioni controllate da calcolato altezze sopra la superficie della pellicola e una telecamera ad alta velocità per l'imaging digitale. I risultati ottenuti vengono analizzati sul sistema informatico. Riprodotto da Adebayo & Matar 201715 con l'autorizzazione di The Royal Society of Chemistry. (B) una visione pittorica del rig. (C) - (D) descrizione pittorica di illuminazione arrangiamento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: effetto di controllo pellicola sulle dinamiche di evoluzione dell'onda su una pellicola liquida che scorre. (A) immagine Shadowgraph di superficie di film prima del controllo del film. Il film è caratterizzato dalla presenza di evolvere naturalmente onde che sono stocastici in natura ed esibiscono irregolare spatiotemporal dynamics. Immagine di Shadowgraph (B) della superficie della pellicola dopo la forzatura. Le onde sono contributi di rendering spatiotemporally regolari e prevedibili, dalla struttura spaziale a goccia impatto facile studiare. (C) formazione di onda solitaria su una pellicola liquida che scorre controllata evidenziando le diverse regioni sull'onda capillare superficiale cioè di pellicola, pellicola piana e onda gobba di regioni. (D) Magnified view di una struttura singolare onda mostrando il profilo di flusso in ogni zona. Riprodotto da Adebayo & Matar 201715 con l'autorizzazione di The Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: risoluzione spaziale a 5000 fps. Con un angolo di inclinazione del substrato di 15 ˚, la risoluzione spaziale è calcolata per essere 67,5 µm/pixel e 46,6 µm/pixel in direzione longitudinale e spanwise, rispettivamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: effetto di controllo pellicola sull'esito della bassa inerzia gocce un impatto di diverse regioni di un film che scorre controllata, in contrasto contro un film incontrollato. L'altezza di caduta delle gocce è 0,005 m, dimensione goccia è 3,3 mm, velocità della pellicola è di 5 x 10-3 m3/s, costringendo la frequenza è di 2 Hz, corrispondente alla pellicola Re 166,5, caduta abbiamo 3,134 e Oh 0,0021. La goccia si avvicina la superficie della pellicola (a) e il contatto (b), attiva il drenaggio dello strato intermedio dell'aria tra esso e il film. Questi risultati nella deformazione della forma goccia e una diffusione radiale di capillare increspature sulla superficie del film, iniziata al punto di impatto (c-d). Una volta che si rompe lo strato d'aria, una fusione della goccia del liquida con la pellicola liquida è osservato (e) e una crescita verticale della colonna di liquido cilindrico (in un caso di coalescenza parziale/totale). Questa è seguita da una rincorsa di onde capillari sulla colonna formata, che si allunga. Infine, un pizzico-off di una goccia di satellitare è osservato (g-h), in un caso di coalescenza parziale, che è di dimensioni più piccole per la discesa di madre iniziale. Una ripetizione del processo di coalescenza è visto come bene (i-j). Differenze qualitative sono visti i risultati osservati (coalescenza che rimbalza o scorrevole o parziale) e la presenza di una cascata; mentre le differenze quantitative sono osservate nel tempo pinch-off, le dimensioni (altezza e larghezza) della colonna di liquida formano, dimensione della goccia satellitare espulsa, e la cascata punti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: goccia scorrevole sulla regione onda capillare di un film che scorre controllata. Il diametro delle gocce è 2,3 mm, con un'altezza di caduta di 0,008 m mentre il flusso di film tasso è 10 x 10-3 m3/s, corrispondenti a Oh = 0,0024, cid = 5.014 e pellicola Re = 333, rispettivamente. Forzatura è stato effettuato a 2 Hz. (a) approccio. (b) contatto. (c-f) Goccia di rotolamento. (g-h) Arrampicata in arrivo solitaria gobba. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: effetto di controllo del film su schizzi fenomeni sulle regioni differenti dell'impatto su una pellicola che scorre controllata, in contrasto contro un film incontrollato. Il diametro delle gocce è 3,3 mm, con un'altezza di caduta di 0,25 m mentre il flusso di pellicola tariffa è di 5 x 10-3 m3/s, corrispondenti a Oh = 0,0021, cid = 224,8 e pellicola Re = 166,5, rispettivamente. Forzatura è stato effettuato a 2 Hz. La goccia di liquido si avvicina la superficie della pellicola (a) e immediatamente al contatto (b), si sviluppa uno strato di materiale eiettato che cresce in una corona (c). La coltivazione della corona (d-e) rese più tardi a un'instabilità di Rayleigh-Plateau che conduce per l'espulsione di più piccole goccioline dal suo bordo (f-j). La corona crolla in seguito e assegna con la pellicola (k), trasportata via dal flusso in arrivo. Uniche differenze nel risultato impatto sulle singole regioni di impatto sono le dimensioni (altezza e diametro) della corona formata, numero e distribuzione delle dimensioni delle gocce secondari espulsi, inclinare il grado di corona, spessore della parete, corona rivolta direzione e tempo di coalescenza finale. Riprodotto da Adebayo & Matar 201715 con l'autorizzazione di The Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: effetto del film Reynolds e goccia Weber sulla propagazione di corona nella regione' onda gobba'. La dimensione delle gocce è 3,3 mm, corrispondente a Oh = 0,0021 e la goccia altezze di caduta è stato variato da 0,20-0,35 m (corrispondente a abbiamod = 179,8-314,7) mentre il Re è nella gamma di 55,5 a 333. I diamanti rossi raffigurano i risultati con la corona rivolta nella direzione a valle, mentre i diamanti blu mostrano risultati rivolto a Monte Corona. L'inclinazione della corona è influenzato tramite la concorrenza tra l'inerzia della goccia impattante e quella del film che scorre. In particolare, al basso Re, la corona è inclinata nella direzione longitudinale ma come l'inerzia del film che scorre guadagni in importanza, la direzione cambia e si affaccia a Monte. Questa direzione rivolto a Monte-Corona è mantenuta di là di un valore di Re di circa 250 indipendentemente dalla grandezza del abbiamod. Riprodotto da Adebayo & Matar 201715 con l'autorizzazione di The Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: variazione del numero di goccioline secondarie espulso dal cerchio corona nelle regioni diverso impatto di una pellicola controllata (viz 'capillare onda', 'pellicola piana' e 'wave gobba' regioni, illustrate da sinistra a destra, rispettivamente) contrasto contro un film incontrollata. La dimensione delle gocce è 3,3 mm corrispondente Oh = 0,0021 e la goccia altezze sono state variate da 0,20 a 0.35, con conseguente velocità di impatto all'interno della gamma 1.981-2.621 m/s (corrispondente a abbiamod = 179,8-314,7). I rettangoli rossi raffigurano altezza di caduta di caduta di 0,35 m, verde diamanti 0.3 m, il blu cerchi 0,25 m, e l'arancione piazze 0,2 m, rispettivamente. Il numero di gocce secondario espulso aumento con goccia abbiamo in tutte le regioni mentre un andamento irregolare è osservato con la pellicola Re aumento: sulla gobba onda, c'è una diminuzione del numero di gocce secondari espulsi mentre su onda capillare sia piatto regioni, della pellicola c'è un leggero aumento. Un tuffo è notato attorno alla pellicola Re 166.5 per l'onda capillare, che si verifica a causa della concorrenza tra le velocità tangenziali della goccia e quella del film. La sproporzionata tendenza osservata sui film incontrollata è creduta per accadere come risultato della natura stocastica delle onde sulla superficie del film. Riprodotto da Adebayo & Matar 201715 con l'autorizzazione di The Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: effetto della regione di impatto sulla distribuzione di dimensione di goccia espulsa secondario su una pellicola controllata in contrasto contro un film incontrollato. La dimensione di goccia è 3,3 mm, mentre il tasso di flusso di film è 5 x 10-3 m3/s corrispondente ad una pellicola Re di 166,5 e goccia Oh 0,0021. Altezze di caduta della goccia sono 0,2, 0,25, 0,3 e 0,35 m corrisponde a abbiamod 179,8, 224,8, 269.8 e 314,7 rispettivamente. Sull'onda capillare, la forma della distribuzione è in gran parte inalterata con aumento di numero di Weber, ma un notevole aumento del numero di gocce della gamma 0,5-1,0 mm. Le pellicole piane, tuttavia, si osserva la distribuzione delle dimensioni che variano da 0 a 2.0 mm e uno spostamento è osservato verso le gocce di 0-0,5 mm di dimensioni, come è aumentato il numero di Weber. Questo aumento del numero di piccole gocce espulso differenzia chiaramente la regione di pellicola piana dalle altre regioni. Sulla gobba dell'onda, la distribuzione di dimensione Mostra che grandi gocce nell'intervallo (1,0-2,0 mm) vengono espulsi anche per il più piccolo numero di Weber esaminato. In contrasto con quanto sopra, le distribuzioni di dimensione goccia associate un film incontrollato non manifestano una forma comprensibile distinta a causa della natura stocastica delle onde in film. Riprodotto da Adebayo & Matar 201715 con l'autorizzazione di The Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Parametri | Regione di onda capillare | Regione di pellicola piana | Regione di gobba di onda |
| Altezza di apice della colonna di liquido | Breve | Medio | Alta |
| Dimensione della goccia satellitare | Piccolo | Media | Grande |
| Esistenza di cascata | Rari | Sì | Nessuno |
| Effetto di Re aumentare | Fenomeni di scorrimento | Fenomeni di rimbalzanti | Transizione a coalescenza totale |
| Effetto di abbiamo aumento | Diminuire in altezza colonna | Aumento di altezza di colonna | Aumento di altezza di colonna |
| Effetto di Oh diminuire | Ridotto goccia scorrevole | Colonne più lunghe e larga, satellitare più grande gocce | Transizione a coalescenza totale |
Tabella 1. Parametriche differenze sulle dinamiche di impatto a bassa inerzia gocciolina su diverse regioni di un film che scorre controllata.
| Parametri | Regione di onda capillare | Regione di pellicola piana | Regione di gobba di onda |
| A forma di corona | Irregolare | Irregolare | Regolare |
| Altezza corona | Alta | Superiore | Più alto |
| Spessore di parete di corona | Sottile | Dimensione più sottile | Spessore |
| Numero di gocce secondari | Più | Maggior parte | Poco o nessuno |
| Angolo di inclinazione della corona | Riduce con la pellicola Re | Aumenti con la pellicola Re | Inverte oltre Re 250 |
| Tempo di coalescenza | Rapido | Lento | Più in ritardo |
| Effetto della pellicola Re aumentare | Corona diventa più "verticale" | Aumento di altezza di corona, corona-inclinazione più ripida in direzione di flusso del film, | Diminuzione del numero di gocce secondarie, cambiare in direzione rivolto a corona oltre Re 250 |
| Effetto di goccia aumento di Weber | Precedente inizio e aumento nel numero di gocce secondari e aumento di diametro corona. | Aumento del numero di gocce secondarie, altezza corona e corona diametro; ridurre le dimensioni delle gocce secondari | Aumento del numero di gocce secondarie, altezza corona, corona diametro, tempo di coalescenza e cambiamento in direzione rivolto a corona. |
| Effetto di goccia Oh diminuzione | Aumentare in altezza e diametro corona | Aumentare in altezza e diametro corona | Aumentare in altezza e diametro corona |
Tabella 2. Parametriche differenze sulle dinamiche di impatto ad alta inerzia gocciolina su diverse regioni di un film che scorre controllato (il regime spruzzi).
Discussion
In questa sezione forniamo alcuni consigli necessari per garantire risultati qualitativi sono ottenuti dal protocollo. In primo luogo, il substrato di vetro su cui i flussi di film liquido devono essere tenuti assolutamente prive di impurità per garantire le proprietà del film liquido sono tenute senza compromessi. Ciò è ottenibile da una pulizia regolare (probabilmente utilizzando un detergente adatto e pulito fuori sopra un vassoio per evitare la dissoluzione nel sistema). Allo stesso modo, ci dovrebbe essere una sostituzione regolare del liquido di prova intera dopo alcuni turni sperimentali, per garantire risultati accurati.
In secondo luogo, la camera di fluido-distribuzione deve essere ben ingranata e anche tenuto a tenuta d'aria per garantire il film liquido outflowing uniforme. Questo può essere fatto di sifonamento manualmente aria fuori dalla scatola di distribuzione prima di ogni esperimento. L'uso di micrometro-passi all'ingresso della pellicola è anche consigliato di impostare l'altezza del traferro all'ingresso della pellicola per lo spessore del film esatto preveduto dalla Nusselt stima del flusso del film presso il corrispondente numero di Reynolds. Ciò impedirà un salto idraulico o riflusso all'ingresso.
Il funzionamento dell'elettrovalvola deve anche sempre essere controllato e accertato correttamente. Questo è perché una pulsazione appropriata del flusso è necessaria per garantire la produzione delle onde forzate. Ciò può essere verificato dal ticchettio regolare l'elettrovalvola, nonché una pulsazione percepita lungo i tubi di collegamento. La portata di liquido nella pompa a siringa deve essere impostata anche con attenzione per garantire che le goccioline vengono espulsi in maniera gocciolante, evitando qualsiasi pre-accelerazione prima di cadere.
Calibrazione della telecamera ad alta velocità deve essere garantito per ottenere risultati molto accurati. Le dimensioni dell'apertura devono anche essere scelti attentamente considerando parametri come la profondità di campo, tempo di esposizione e luminosità complessiva dell'immagine. Per la macchina fotografica innescando durante la registrazione video, gli utenti devono anche stimare quanti fotogrammi devono essere registrate prima di far scattare. Questo può variare con gli individui, a seconda del momento di impatto di goccia, quindi, diversi test di prova per la pratica sono raccomandati prima di misurazioni effettive. Analogamente, la sorgente luminosa deve essere adeguatamente organizzato e ben diffusa per ridurre al minimo le ombre nell'immagine.
È importante notare e ricordare che l'obiettivo principale dello studio è i contributi delle onde per le dinamiche di impatto delle gocce che cade, quindi la formazione di strutture onda regolare è essenziale per un accurato studio della fisica sottostante. Negli scenari dove si osservano le strutture onda rapidamente la transizione strutture tridimensionali, è consigliabile che l'angolo di inclinazione del substrato sia ridotta14,19 per facilitare una transizione più lenta delle strutture onda .
Una limitazione della tecnica è osservata in assenza di un dispositivo di misurazione specifica lo spessore di pellicola istantanea reale in ogni regione dell'impatto. Questo avrebbe fornito ulteriori dettagli sui fenomeni osservati nel complesso.
In sintesi, la procedura descritta in questo rapporto utilizzabile anche per studiare la dinamica evolutiva dell'onda semplice, mentre il sistema di imaging ad alta velocità descritto può essere applicato a molti campi di ricerca con dinamiche veloci come goccia di liquido scioglimento21, 22/coalescence23, getti granulari24, ecc. , dove si osservano fenomeni importanti in un lasso di tempo micro.
Disclosures
Gli autori non hanno nulla da dichiarare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sponsorizzato dal petrolio Technology Development Fund (PTDF, Nigeria) e ingegneria e Physical Sciences Research Council, Regno Unito, attraverso il programma Grant MEMPHIS (concessione numero EP/K003976/1). Gli autori apprezzano anche discussioni fruttuose con 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).
