Summary
Se presenta un protocolo para el estudio de las contribuciones de las ondas dinámicas de impacto de gota en las películas de líquido que fluye.
Abstract
Impacto de la gota es un fenómeno muy común en la naturaleza y llama la atención debido a su fascinación estética y amplias aplicaciones. Estudios previos en películas líquidas fluidas han descuidado las contribuciones de estructuras espaciales de olas para el resultado del impacto, mientras que esto se ha demostrado recientemente para tener una influencia significativa en la dinámica del impacto de la gota. En este informe, describimos un procedimiento paso a paso para investigar el efecto de forzar la entrada periódica de una película de líquido que fluye hacia la producción de estructuras de onda spatiotemporally regular dinámica de impacto de gota. Un generador de funciones con respecto a una válvula de solenoide se utiliza para excitar estas estructuras de onda spatiotemporally regular en la superficie de la película mientras que la dinámica del impacto de las gotas de tamaño uniforme es capturada usando una cámara de alta velocidad. Luego se estudian tres regiones distintas; como la región de onda capilar anterior al pico de la onda grande, la región de película plana y la región de joroba de la ola. Los efectos de cantidades sin dimensiones importantes tales como película de Reynolds, Weber de la gota y número de Ohnesorge parametrizado por el caudal de película, velocidad de caída y tamaño de gota también se examinan. Nuestros resultados muestran interesantes, hasta ahora sin descubrir dinámica provocada por esta aplicación de película entrada obligando a de la película que fluye por ambas gotas de baja y alta inercia.
Introduction
Impacto de la gota es un fenómeno muy común en la naturaleza y atrae la atención de cualquier curioso observador1. Constituye un área activa de investigación debido a sus numerosas aplicaciones incluyendo enfriamiento de aerosol de extinción de incendios, de chorro de tinta-impresión, capa de aerosol, deposición de protuberancias de soldadura en placas de circuito impreso, el diseño de motores de combustión interna, limpieza de la superficie e impresión de la celda2. Su aplicación se extiende también a la agricultura, por ejemplo, por aspersión riego y cultivos rociando3,4. Trabajo pionero data delsiglo 19, con el trabajo de Worthington5, mientras que grandes avances sólo han realizado recientemente debido a la aparición de imágenes alta velocidad6 . Desde entonces, varios estudios han hecho; utilizando diferentes tipos de superficies de impacto desde sólidos7,8, poco profundas,9 y piscinas profundas líquido10,11 a películas delgadas12,13.
Sin embargo, a pesar del gran volumen de investigación sobre el impacto de la gota en superficies líquidas (es decir, someras y profundas piscinas y películas quietas), impacto en películas líquidas delgadas que no ha recibido tanta atención. Además, hasta ahora, los estudios han descuidado las contribuciones de estructuras espaciales de las ondas dinámicas de impacto de gotas.
En este informe, presentamos un detallado procedimiento experimental para investigar el proceso de impacto de gota que fluye películas cuya dinámica está influenciado por la entrada de la imposición de la tasa de flujo de líquido; a continuación, nos referimos a ellos como 'controlado'. Nos encontramos con que estas tienen numerosas aplicaciones en las industrias de multifase (por ejemplo, en el enfriamiento Torres, en columnas de destilación y también en el régimen de flujo anular observado en los flujos de dos fases), sobre todo como control de película se ha convertido en un paso importante en la intensificación de calor y transferencia de masa en muchas industrias de proceso14. El lector interesado se refiere a nuestro trabajo anterior15 para más detalles sobre los resultados de nuestros esfuerzos de investigación en esto.
Esta aplicación de oscilaciones de frecuencia de los resultados de tasa de flujo de entrada en la formación de olas regulares sobre la superficie de la película. Nos centramos en la familia de la onda solitaria, que se caracteriza esencialmente por picos estrechos muy separadas y es precedida por una serie de delantero-funcionamiento ondas capilares16,17,18. Estudiamos el resultado de los impactos asociados a las tres partes principales de la estructura de la onda solitaria: la 'película plana', 'joroba de la ola' y 'onda capilar' delantero-funcionamiento regiones. También contrastan estos resultados con aquellos asociados con las películas que fluye sin control. Nuestros resultados muestran que la naturaleza estocástica de aparición de la onda en la película descontrolada afecta notablemente los resultados del impacto de la gota, con las regiones separadas de la película controlada también nuevos mecanismos, que tenemos tanto detallado cualitativo y cuantitativamente.
En el de la papel anterior15, utilizando el mismo procedimiento, se estudió el efecto del control de la película sobre la dinámica de impacto de gota en el régimen de salpicaduras. Los resultados obtenidos mostraron diferencias cuantitativas y cualitativas en la morfología de la corona (altura, diámetro, espesor de pared, ángulo de inclinación y dirección) así como la distribución del número y tamaño de las gotas secundarias expulsadas.
En este informe, describimos el montaje diseñado para entender el papel fundamental desempeñado por estas estructuras espaciales en la dinámica de impacto de gota y también presente información sucinta de nuestros resultados no sólo en el régimen de salpicaduras, sino también para otros resultados de gota impacto (viz saltando, deslizando, coalescencia parcial/total). Siguiendo el protocolo estándar que se describen a continuación, el efecto del control de la película sobre la dinámica de impacto de la gota puede ser estudiado de manera reproducible.
Protocol
1. configuración de aparejo experimentales
Nota: Vea la figura 1.
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Unidad de película descendente
- Empezar por la limpieza de la superficie del sustrato (vidrio) con un paño limpio y suave. Asegúrese de que no hay suciedad se adhiera a su superficie, que alteraría las propiedades del líquido.
- Ajuste el pivote del sustrato de vidrio en el ángulo de inclinación deseado. Un ángulo de inclinación, β, de 15 ° se utilizó en este trabajo.
- Encienda la bomba eléctrica y asegurar un flujo normal de líquido en la superficie de la película de más limpiar el sustrato de vidrio. Para este trabajo, el líquido de prueba fue agua desionizada.
- Asegúrese de que toda la superficie del sustrato se humedece.
- Medir el caudal de película utilizando el medidor de flujo. Para este trabajo, el flujo es variado entre 1.667 x 10-3 y 10 x 10-3 m3/s con la película correspondiente número de Reynolds, Re = ρq/wµ, que oscilan entre 55.5 y 333. w es el ancho de película descendente, 0,30 m.
- Poco a poco ajustar las válvulas en la conexión de flujo para obtener el flujo deseado en el substrato de cristal.
- Ajustar el conjunto de paso de micrómetro en la entrada de cine para el correspondiente valor de espesor de película de Nusselt para el caudal elegido, para evitar un salto hidráulico en la entrada de cine o un reflujo de aire en la cámara de distribución.
- Sifón manualmente todo el aire en la cámara de distribución para obtener un flujo uniforme aguas abajo en la superficie de la película.
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Unidad de control de película
- Asegúrese que el generador de funciones está conectado a la válvula solenoide a través de un relé no enganche a través de una tarjeta de adquisición de datos (DAC).
- Activar la electroválvula y el generador de funciones.
- Ajuste el generador de funciones a la frecuencia deseada de la fuerza. En este trabajo, se utilizaron las frecuencias de 2 y 3 Hz.
- Seleccionar la señal de onda deseada (onda sinusoidal, onda diente de sierra, onda cuadrada, etc.). En este trabajo, se utilizó una señal sinusoidal. Figura 2A y 2B muestran el contraste entre una película descontrolada y una controlada.
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Sistema de generación de gotas
- Conecte un tubo de plástico a una jeringa llena de agua.
- Inserte la jeringa en el generador de gotas.
- Coloque una jeringa-aguja de un tamaño elegido (según el diámetro de gota deseado) al otro extremo de la tubería plástica. La gama de diámetro de gota estudiada fue entre 0.0023 a 0.0044 m.
- Ajuste la altura de caída de la gota sobre la superficie de la película. En este trabajo, altura de caída de la gota fue variado desde 0.005 a 0,45 m, dando la velocidad de impacto entre 0.30 ± 0.02 - 2,96 ± 0.06 m/s.
- Del mismo modo, establecer el punto de impacto CBES de la gota de la entrada de la película. Esto se estableció en 0,3 m en este trabajo para las ondas bien formadas antes de impacto.
- Fijar un caudal deseado para la bomba de jeringa.
- Ajustar el flujo para lograr una frecuencia de generación de gotas mayor que la longitud de onda de las ondas formadas en la superficie de la película; para las gotas inciden sucesivamente en diferentes regiones de la película controlada. Ver figura 2; con una ampliación de una singular forma de onda en la Figura 2D para mostrar las diferencias en el perfil de flujo bajo cada región19,20.
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Configuración de alta velocidad
- Coloque la cámara sobre un soporte del trípode (o cualquier otro arreglo conveniente).
- Seleccione el objetivo macro con distancia focal deseada y conéctelo a la cámara.
- Encienda la cámara de alta velocidad y asegurar se concentra directamente en la superficie de la película. Alinear la cámara en el 7 ° y 12˚ desviaciones horizontales y verticales respectivamente a la superficie de la película. Esto da una excelente imagen de la vista lateral del proceso de impacto, dando por resultado una resolución de 67,5 μm/píxeles y 46,6 μm/píxeles en las direcciones de los CBES y spanwise, respectivamente.
- Ajuste el enfoque de la lente de la cámara (en la abertura más grande) con un elemento de calibración colocado exactamente sobre el impacto de la gota mancha.
- Una vez que se obtenga un enfoque nítido, reducir la abertura para asegurar que sólo una pequeña cantidad de luz entra en la cámara.
- Establecer la velocidad de fotogramas deseado, la resolución y la velocidad del obturador de la cámara de alta velocidad. Una velocidad de 5000 fps, 800 x 600 resolución, abertura tamaño 1/16, y una velocidad de obturación de 1 μs se utilizaron en este trabajo.
- Colocar el difusor de luz frente a la fuente de luz, como se muestra en la figura 1, para que la luz se difumina uniformemente en toda la región de imagen.
- Encienda la fuente de luz para confirmar la difusión uniforme de la luz sobre el área de proyección de imagen.
2. calibración
Nota: Consulte la figura 3.
- Poner una regla en la dirección del flujo de la película (exactamente en el punto de impacto) y obtener instantáneas de los puntos medidos en la superficie de la película.
- Repita 2.1 pero con la regla en la dirección spanwise.
- Utilizar lo anterior para obtener las resoluciones espaciales sobre la superficie de la película.
3. video grabación y adquisición de datos
- Una vez establecido el flujo de la película en la plataforma, arranque la bomba de jeringa y observar el impacto de las gotas de goteo en la superficie de la película.
- Iniciar el generador de funciones y observar la producción de ondas spatiotemporally regulares en la superficie de la película.
- Asegúrese de que sucesivas gotas afectan las diferentes regiones de la superficie de la película controlado.
- Observar el posterior disparo número de cuadro y esta a aproximadamente la mitad de la duración del video para captar adecuadamente el impacto.
- Encienda la fuente de luz y disparo la captura de imágenes una vez que se produce un impacto.
- Apague la fuente de luz una vez captura de imágenes para evitar el sobrecalentamiento de la película líquida.
- Analizar visualmente la instantánea obtenida en la pantalla del ordenador. Verifique si el impacto ha ocurrido en uno de la película plana, onda capilar, o regiones de chepa de la onda.
- Recortar el vídeo a la parte que muestra el proceso de impacto y guardar la gama marco en un formato de vídeo/imagen.
- Repetir el impacto individual 3.5-3.8 y registro en todas las regiones en la superficie de la película, viz joroba solitario. ondas capilares y película plana.
4. Análisis y procesamiento posterior de la imagen
- Coloque una regla en el campo de visión y calcular la resolución espacial contando cuántos píxeles caben en 1 cm., usando la imagen de calibración, obtener un factor de escala para la medición de la dimensión de imagen.
- Comparar los resultados del proceso de impacto en las regiones de diferente impacto de las imágenes de alta velocidad. Verifique diferencias notables.
- Usando una rutina de procesamiento de imágenes MATLAB adecuada, medir las características de las características del producto del proceso de impacto: es decir en el modo de salpicaduras, medir la altura de la corona, diámetro, espesor de pared, ángulo, dirección orientada al corona, número y tamaño de la inclinación distribución de gotas secundarias expulsadas.
- Llevar a cabo análisis cuantitativos similares como 4.3 por encima de los impactos de baja-Weber. Cuenta el tiempo de pinzamiento del satélite cae desde las imágenes de marcos de tiempo y medir el ápice largo y ancho de la columna formada en coalescencia parcial antes de pinzamiento de gotas secundarias. Medir el tamaño de las gotas secundarias expulsados. Contar el número de cascada en un proceso repetido de pinch-off.
- Observar todas las diferencias cualitativas en cada región.
Representative Results
Esencialmente, se estudiaron dos categorías de impactos; la primera fue por caídas con baja inercia (es decir, la gota número de Weber, (d= ρdu2/σ) que van desde 3.1 hasta 24.0 mientras que el segundo fue por caídas con alta inercia (i.e.,Wed 94 a 539) dando por resultado un resultado de salpicaduras. Siguió el mismo procedimiento experimental, sin embargo, para ambos estudios. Otros relacionados con cantidades sin dimensiones utilizados en el estudio incluyen la película número de Reynolds (Re = ρq/wµ, que oscilan entre 55.5 y 333), la película número de Weber ( = ρhNuN2 /Σ, que oscilan entre 0.1061 y 2.1024), la caída de número de Ohnesorge (Oh = μ/ (ρσd)1/2, que oscilan entre 0.0018 y 0.0025) y el número de Kapitza (Ka = σρ1/3/g 1/3 µ 4/3, que se calculó en 3363 para agua). El espesor de la película de Nusselt (hN = [(3μ2Re)/(ρ2gsinβ)]1/3) se encontró que la gama de 4.034 x 10-4 a 7.328 x 10-4 m, velocidad de la película mientras el Nusselt (uN = ρgsinβhN23μ) se encontró que la gama de 0.1376 0.4545 m/s. Para todas las ecuaciones de arriba, q es el caudal de la película, variando entre 0.001667 y 0.01 m3/s; Β es el ángulo de inclinación del sustrato, fijado en 15 ° con la horizontal; μ y ρ son la viscosidad y la densidad, respectivamente, de agua estimada en 0,001 Pa s y 1000 kg/m3; Σ es la fuerza de tensión superficial (0.072 n/m); y g es la fuerza gravitacional (9.81 m/s2).
En los impactos de baja inercia, las tendencias observan, aunque un poco similar (figura 4), exhibió un número de diferencias claramente sólo. En primer lugar, generalmente se observó que el tamaño de la gota satélite producido en la región de chepa de onda fue siempre mayor en comparación con otras regiones de impacto. En retrospectiva, lo contrario fue encontrado verdadera en la región de onda capilar. Siempre eran muy pequeñas las gotas satélite. Esto ocurre porque la onda radial producida por la caída de la afectación llega a ser suprimida por las ondas capilares existentes. Como resultado, mayor propagación de la onda para alargar verticalmente la gota se inhibe, que resulta en la caída de la pérdida de su potencial para desarrollar una columna vertical suficientemente largo, de tal modo líder a la expulsión de gotas secundarias sólo pequeñas de esbeltas columnas formado. También se observó que la tendencia de una cascada se redujo mucho en la chepa de onda en comparación con otras regiones. En todos los casos examinan, el producto de la coalescencia parcial, apenas experimentaron otra fusión parcial, mientras que en una película plana, hasta a tres a cuatro se observan. La altura de la columna también fue observada para ser más alta y más inclinado en la dirección del flujo en la región de chepa de onda en comparación con otras regiones.
En la región de película plana en comparación con otras regiones de impacto, hay un aumento en la tendencia de un resultado que despide. Esto ocurre debido a la lubricación fuerte ejercida presión sobre la gota por esta fina película plana, que ralentiza el drenaje/adelgazamiento de la capa de aire que entre la caída y la película, evitando así la fusión. Este entonces se traduce en la deformación de la gota observadas así como el eventual despegue. En comparación, impactos sobre la chepa de onda son más propensos a fusión parcial, en parte debido al grueso de la película, la ausencia de olas ya existentes (como se encuentra en la región de onda capilar), y finalmente la fuerza lubricación reducida causada por la recirculación de flujo en esta región. Acumulativamente, éstos resultan en la generación de columnas más tiempo que los producidos en otras regiones.
Con un aumento en la tasa de flujo de la película líquida (es decir, la película Re); impactos sobre las ondas capilares a menudo resultaron en un suave deslizamiento de la caída de la onda capilar sin fusión (ver figura 5a-5 h). Esta disminución del balanceo (figura 5 d-5f) más adelante entonces sube a la chepa solitaria en la llegada (figura 5 g y 5 h) donde experimenta una fusión parcial (no mostrado). Sin embargo, los resultados de impacto en la región del plano de la película cambia de una fusión parcial constante para favorecer el modo de rebote. En el caso de los efectos sobre la onda capilar, el aumento en la película Re condujo a ondas capilares más picuda que entonces actuaban como un "amortiguador" en que la gota "montó", por lo tanto el deslizamiento observado de las gotas. En el menos Re, un pellizco muy rápido de gota se observa generalmente en la región de película plana (de tamaño el 90% de la gota inicial), con esta caída experimentando de algún modo "bailar" antes de que más tarde se fusiona y da lugar a una fusión parcial normal. Esto, sin embargo, no se observa en otras regiones de la película controlada.
Con un aumento en la caída de d, se observó que la altura de la columna aumentó en la región de película plana y la joroba de la ola pero reducido en la región de onda capilar.
Finalmente, con un aumento en el tamaño de la gota, más largo y más ancha columnas fueron observadas en la región plana de la película, que a su vez dio lugar a una mayor caída de satélite. Sin embargo, en la joroba de la ola, esto no se observó, en cambio, se observó una transición a la fusión total. En la onda capilar, el aumento de tamaño de gota condujo a menor desplazamiento de la gota y una transición a coalescencia parcial. La mayor caída, sin embargo, cedida casi de inmediato a la fusión total. En la tabla 1se presenta un resumen de estos resultados.
Más allá de gota velocidad 1.70 ± 0,03 m/s, un resultado de salpicaduras se observa en las tres regiones en la superficie de la película (figura 6). Sin embargo, aunque un resultado similar se observa también en este régimen, se observan llamativas diferencias en la morfología de altura formado en su corona, diámetro, espesor de la pared, ángulo de inclinación, tiempo de fusión así como número y distribución de tamaño de expulsado gotas secundarias.
En la 'región de chepa de onda', la estructura de corona es distinto en el 'capilar' y 'plano de regiones de película', ya que su forma es más regular. Además, posee una pared más gruesa de la corona y la altura de la corona es mayor que las observadas en el 'capilar' y 'planas de las regiones de la película'. También hay gotas secundarias menos expulsadas de su borde en comparación con las coronas en las otras regiones. Por último, un tiempo de coalescencia se observa antes de la corona es arrastrada por la película que fluye.
En la 'región de película plana' y 'onda capilar', las coronas formadas son también muy diferentes basados en una serie de características. En primer lugar, se observó que la altura posterior de la corona se ve afectada por las jorobas capilares así como la dinámica de inversión de flujo en esta región de onda capilar por lo tanto causando la corona para parecer más erguida. Resultados de esta inversión de flujo en el transporte de masa líquida posterior que aumenta la altura trasera de la corona formada. Esto, sin embargo, no se observa en las películas planas: la corona está naturalmente inclinada en la dirección de flujo de líquido y se inclina aún más con el aumento de Re. Esta inclinación puede observarse en el extremos aguas arriba y aguas abajo de la corona. En comparación, en las ondas capilares, como la película que re se incrementa, la parte posterior de la corona parece ser más erguida de manera absolutamente contraria a la observada en las películas planas. La altura de la corona en la película plana sin embargo, es mayor que la de las ondas capilares debido a la concentración del sustrato. También hay un inicio más rápido de la eyección de gota secundaria desde el borde de la corona, en las ondas capilares en comparación con en las películas planas. Por último, más gotas secundarias son expulsadas en el borde de la corona en las películas de planas que la de ondas capilares.
Evolución temporal de la corona muestra una débil dependencia del diámetro de la corona en la película Re en todas las regiones del flujo. La dependencia más débil Re se observa en la región' onda chepa'. En la región de película plana se observa la altura de la corona aumentar con Re como era de esperar, puesto que se asocian con películas más gruesas mayor Re . El grado de inclinación de la corona hacia la dirección del flujo también es mayor con el aumento de Re en la 'película plana' y 'onda hump' regiones; Este efecto, sin embargo, parece ser que menos pronunciada en la región de' onda capilar'.
En la 'región de chepa de onda', hay menos gotas secundarias expulsadas con mayor re Parece haber una algo débil dependencia de la altura de la corona de Re, mientras que hay una disminución en el tiempo de fusión de corona con el aumento de Re, que es el resultado de la mayor velocidad de la película que fluye sobre el cual el impacto se produce, que arrastra rápidamente la corona coalescente alejándose del punto de impacto original. También hay un cambio en la inclinación de la corona en la 'región de chepa de onda' dependiendo de la competencia entre la inercia de la caída impactante y de la película que fluye. En el inferior Re, la corona enfrenta a la dirección aguas abajo, mientras que a valores mayores de Re , enfrenta el por aguas arriba (figura 7). Esta tendencia no se observa en las 'regiones de película plana' y 'onda capilar'.
En la región de onda capilar más gotas secundarias se observan en menor Re. También hay un aumento en la altura total de la corona con Re, y, en menor Re, eyección de gota es principalmente hacia la dirección CBES (con el borde de la corona mayor en la parte delantera que en la parte trasera y también inclinada más hacia el CBES Dirección). La altura se hace más simétrica en el mayor Re, que se cree para ser el resultado del efecto equilibrante de las jorobas mayor que ondas capilares poseen en su parte trasera, lo equilibrado de la altura del borde de la corona en la parte posterior.
Con la caída de efecto Weber, se puede observar que el diámetro de la corona aumenta a un ritmo mayor con el aumento de d; la tasa mayor está asociada con la 'región de chepa de onda'. Observaron más diferencias en el número y distribución de tamaño de la gota secundaria expulsada en este régimen de salpicaduras se muestran en la figura 8 y figura 9, respectivamente. En la tabla 2se presenta un resumen de estos resultados.
Figura 1: plataforma Experimental. (A) representación esquemática de la plataforma experimental de, que consiste en la unidad de película descendente para el flujo de la película líquida en un substrato de vidrio inclinado; una unidad de control de película (que consiste en una electroválvula conectada a través de un relé no enganche a través de tarjeta de adquisición de datos y un generador de función que envía señal automatizado controla la apertura y cierre de la válvula solenoide); una bomba de jeringa utilizada para la generación de gotas de tamaños controlados desde alturas calculadas por encima de la superficie de la película y una cámara de alta velocidad para imágenes digitales. Los resultados obtenidos se analizan en el sistema informático. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. (B) una visión pictórica de la plataforma. (C) - (D) Descripción pictórica del arreglo de la iluminación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: efecto de control sobre la dinámica de la evolución de la onda de película en una película de líquido que fluye. (A) imagen de Shadowgraph de superficie de la película antes de control de película. La película se caracteriza por la presencia de evolucionar naturalmente ondas que son estocásticos por naturaleza y dinámica spatiotemporal irregular. Imagen de Shadowgraph (B) de la superficie de la película después de forzar. Las olas son contribuciones spatiotemporally regulares y predecibles, representación de la estructura espacial que deje impacto fácil de estudiar. (C) formación de la onda solitaria en una película líquida que fluye controlada destacando las diferentes regiones en la onda capilar de superficie como de película, película plana y onda joroba de las regiones. (D) vista ampliada de una estructura de onda singular que muestra el perfil de flujo en cada zona. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: resolución espacial a 5000 fps. Con un ángulo de inclinación del substrato de 15 °, la resolución espacial se calcula a ser 67,5 μm/píxeles y 46,6 μm/píxeles en las direcciones de los CBES y spanwise, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: efecto del control de la película sobre el resultado de baja inercia de gotas que afectan a diferentes regiones de una película que fluye controlada, contrastada con una película descontrolada. La altura de caída de gota es 0.005 m, tamaño de gota es de 3,3 mm, velocidad de la película es 5 x 10-3 m3/s, forzando a frecuencia es 2 Hz, correspondiente a la película Re 166.5, gota 3.134 y Oh 0.0021. La gota acerca a la superficie de la película (a) y en contacto (b), activa el drenaje de la capa de aire que entre ella y la película. Estos resultados en la deformación de la forma de gota y una difusión radial de capilares ondulaciones en la superficie de la película, inicia en el punto de impacto (c-d). Una vez que se rompe la capa de aire, una fusión de la gota líquida con la película líquida es observado (e) y un crecimiento vertical de la columna líquida cilíndrico (en el caso de una fusión parcial/total). Esto es seguido por un período previo de ondas capilares en la columna formada, que lo alarga. Finalmente, un pinzamiento de una caída de satélite se observa (g-h), en un caso de fusión parcial, que es de menor tamaño a la caída inicial de la madre. Repita el proceso de fusión se ve así (i-j). Se observan diferencias cualitativas en los resultados observados (fusión que despide o deslizamiento o parcial) y la presencia de una cascada; Si bien se observan diferencias cuantitativas en el tiempo de pinzamiento, el tamaño (altura y anchura) de la columna líquida había formada, tamaño de gota satélite expulsado, y la cascada de puntos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: gotas resbalando en la región de onda capilar de una película que fluye controlada. El diámetro de la gotita es de 2,3 mm, con una altura de caída de 0,008 m mientras que el flujo de la película tarifa es 10 x 10-3 m3/s, correspondiente a Oh = 0.0024, d = 5.014 y cine Re = 333, respectivamente. Obligando a se llevó a cabo a 2 Hz. (a) enfoque. (b) contacto. (c-f) Gota del balanceo. (g-h) Subir la joroba solitaria que se aproximan. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: efecto del control de película en salpicaduras fenómenos en las diferentes regiones de impacto en una película que fluye controlada, contrastada con una película incontrolada de. El diámetro de la gotita es de 3,3 mm, con una altura de caída de 0.25 m mientras que el flujo de la película tarifa es 5 x 10-3 m3/s, correspondiente a Oh = 0.0021, d = 224.8 y cine Re = 166.5, respectivamente. Obligando a se llevó a cabo en 2 Hz. La gota de líquido acerca a la superficie de la película (a) e inmediatamente sobre contacto (b), desarrolla una hoja de material eyectado que crece en una corona (c). El crecimiento de la corona (d-e) rendimientos más adelante a una inestabilidad de Rayleigh-meseta que conduce a la expulsión de gotitas más pequeñas de su borde (f-j). La corona se derrumba después y se une con la película (k), es transportada lejos por el flujo que se aproxima. Las únicas diferencias en los resultados de impacto en las regiones individuales de impacto se ven en el tamaño (altura y diámetro) de la corona formada, número y distribución de tamaño de gotas secundarias expulsadas, el grado de corona inclinación, espesor de pared, corona frente a dirección y el tiempo de coalescencia final. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: efecto de la película Reynolds y caída de Weber en propagación de corona en la región' onda chepa'. El tamaño de las gotas es de 3,3 mm, correspondiente a Oh = 0.0021 y la caída de alturas de caída fue variado de 0.20 a 0.35 m (correspondientes a d = 314.7 179.8) mientras que Re está en el rango de 55.5 a 333. Los diamantes rojos representan los resultados con la corona frente a la dirección aguas abajo, mientras que los diamantes azules muestran los resultados de la corona hacia arriba. La inclinación de la corona se ve afectada por la competencia entre la inercia de la caída impactante y de la película que fluye. Específicamente, en el bajo de Re, la corona está inclinada hacia la dirección CBES pero como la inercia de la película que gana en importancia, la dirección cambia y se enfrenta contra la corriente. Esta dirección de la corona hacia arriba se mantiene más allá de un valor de Re de aproximadamente 250 independientemente de la magnitud de d. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: variación del número de gotas secundarias expulsado desde el borde de la corona en las regiones de impacto diferentes de una película controlada (viz 'onda capilar', 'película plana' y 'onda chepa' regiones, se muestra de izquierda a derecha, respectivamente) en contraste contra un película descontrolada. El tamaño de la gotita es 3,3 mm correspondiente a Oh = 0.0021 y la caída de alturas han sido variadas de 0.20 a 0.35, resultando en velocidades de impacto dentro de la gama 1.981-2.621 m/s (correspondiente a la d = 314.7 179.8). Los rectángulos rojos representan la altura de caída de gota de 0.35 m, el verde diamantes 0,3 m, el azul los círculos 0.25 m y la naranja plazas 0,2 m, respectivamente. El número de gotas secundarias expulsado con gota en todas las regiones mientras una tendencia desigual se observa con aumento de la Re de la película: en la joroba de la ola, hay una disminución en el número de gotas secundarias expulsados en onda capilar y plana regiones, de la película hay un ligero aumento. Un dip se nota alrededor de la película Re 166.5 de la onda capilar, que ocurre como resultado de la competencia entre las velocidades tangenciales de la gota y la de la película. La desproporcionada tendencia observada en las películas sin control es cree que se producen como consecuencia de la naturaleza estocástica de las olas sobre la superficie de la película. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: efecto de la región de impacto sobre la distribución de tamaño de gota secundaria expulsado en una película controlada contrasta con una película descontrolada. El tamaño de gota es 3,3 mm mientras que la tasa de flujo de la película es 5 x 10-3 m3/s correspondientes a una película Re de 166.5 y gota Oh 0.0021. Alturas de caída de la gota son 0.2, 0.25, 0.3 y 0.35 m correspondiente a d 179.8, 224.8, 269.8 y 314.7 respectivamente. En la onda capilar, la forma de la distribución es en gran medida inalterada con aumento del número de Weber, pero un aumento notable en el número de gotas de la gama 0.5 a 1.0 mm. En las películas de planas, sin embargo, la distribución se observa que varían de 0 a 2.0 mm, y se observa un cambio hacia las gotas de 0 a 0,5 mm de tamaño según aumenta el número de Weber. Este aumento en el número de pequeñas gotas expulsadas distingue claramente la región plana de la película de las otras regiones. En la joroba de la ola, la distribución de tamaño de muestra que grandes gotas en el rango de (1.0 a 2.0 mm) son expulsadas incluso para el más pequeño número de Weber examinado. En contraste con lo anterior, las distribuciones de tamaño de gota asociadas a una película descontrolada no exhiben una forma discerniblemente debido a la naturaleza estocástica de las ondas en películas. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Parámetros | Región de onda capilar | Región de película plana | Región de chepa de onda |
| Altura del ápice de la columna de líquido | Corto | Medio | Alta |
| Tamaño de gota satélite | Pequeño | Promedio | Grandes |
| Existencia de cascada | Raro | Sí | Ninguno |
| Aumentar el efecto de Re | Fenómenos de deslizamientos | Fenómenos de rebote | Transición a la fusión total |
| Efecto de aumento | Disminución de la altura de la columna | Incremento en altura de la columna | Incremento en altura de la columna |
| Disminuir el efecto de la Oh | Caída menor desplazamiento | Columnas más largo y más ancha, más grande satélite cae | Transición a la fusión total |
Tabla 1. Diferencias paramétricas en la dinámica de impacto de gotas de baja inercia en diferentes regiones de una película que fluye controlada.
| Parámetros | Región de onda capilar | Región de película plana | Región de chepa de onda |
| Forma de la corona | Irregular | Irregular | Regular |
| Altura de corona | Alta | Mayor | Más alto |
| Espesor de pared de corona | Delgado | Más delgado | Espesor |
| Número de gotas secundarias | Más | La mayor parte | Poco ninguno |
| Ángulo de inclinación de la corona | Reduce con la película de Re | Aumenta con la película de Re | Se invierte más allá de Re 250 |
| Tiempo de fusión | Rápida | Lento | Más retrasado |
| Aumentar el efecto de la película Re | Corona llega a ser más "vertical" | Aumento en la altura de la corona, corona-inclinación más empinada en dirección del flujo de la película, | Disminución en el número de gotas secundarias, cambio de dirección de la corona orientada más allá de Re 250 |
| Efecto de la gota aumento de Weber | Anteriores Inicio y aumento en el número de gotas secundarias y aumento de diámetro de corona. | Aumento en el número de gotas secundarias, altura de la corona y corona diámetro; disminución en el tamaño de las gotas secundarias de | Aumento en el número de gotas secundarias, corona altura, diámetro de corona, tiempo de coalescencia y cambio en la dirección orientada al corona. |
| Efecto de gota Oh disminución | Aumentar en altura y diámetro de la corona | Aumentar en altura y diámetro de la corona | Aumentar en altura y diámetro de la corona |
Tabla 2. Diferencias paramétricas en la dinámica de impacto de gota de alta inercia en diferentes regiones de una película que fluye controlada (régimen de salpicaduras).
Discussion
En esta sección, le ofrecemos algunos consejos necesarios para asegurar resultados cualitativos se obtienen a partir del protocolo. En primer lugar, el sustrato de vidrio en el que los flujos de la película líquida deben estar completamente libre de suciedad para garantizar las propiedades de la película líquida se mantiene sin compromisos. Esto es realizable por una limpieza regular (probablemente con un detergente adecuado y limpiar sobre una bandeja para evitar la disolución en el sistema). Del mismo modo, debe haber un recambio regular del líquido de prueba todo después de algunos redondos experimentales, para garantizar resultados precisos.
En segundo lugar, la cámara de distribución de líquido debe ser bien endentada y también mantenerse hermético para asegurar que la película líquida juicioso es uniforme. Esto puede hacerse manualmente de succión aire fuera de la caja de distribución antes de cada experimento. También se recomienda el uso de micrómetro-pasos en la entrada de cine para ajustar la altura del entrehierro en la entrada de cine para el espesor del film exacto predicho por la estimación de Nusselt del flujo de la película en el número de Reynolds correspondiente. Esto evita un salto hidráulico o reflujo en la entrada.
La operación de la válvula de solenoide también siempre debe comprobar y comprobada correctamente. Esto es porque una pulsación adecuada del flujo es necesaria para garantizar la producción de las olas forzadas. Esto puede comprobarse desde el sonido regular de la válvula solenoide, así como una pulsación percibida a lo largo de las tuberías de conexión. La tasa de flujo de líquido en la bomba de la jeringuilla también debe establecer cuidadosamente para asegurar que las gotitas son expulsadas en forma de goteo, evitando cualquier aceleración previa antes de caer.
Debe garantizarse la adecuada calibración de la cámara de alta velocidad para obtener resultados muy precisos. El tamaño de la abertura debe también ser seleccionado teniendo en cuenta parámetros como la profundidad de campo, tiempo de exposición y brillo de imagen total. Para accionar durante la grabación de vídeo, la cámara los usuarios deben Estimar cuántos Marcos deben registrarse antes de dispararla. Esto puede variar con los individuos, dependiendo del tiempo de impacto de la gota, por lo tanto, se recomiendan varias pruebas de ensayo para practicar antes de las medidas reales. Del mismo modo, la fuente de luz debe estar bien arreglado y bien difundida para minimizar las sombras en la imagen.
Es importante destacar y recordar que el objetivo principal del estudio es el aporte de las ondas a la dinámica del impacto de las gotas que caen, por lo tanto, la formación de estructuras de onda regular es esencial para un estudio preciso de la física subyacente. En escenarios donde se observan las estructuras de la onda rápida transición a estructuras tridimensionales, se recomienda que el ángulo de inclinación del substrato sea reducido14,19 para facilitar una transición más lenta de las estructuras de la onda .
Una limitación de la técnica se observa en la ausencia de un dispositivo de medición especificar el espesor de película instantánea real en cada región de impacto. Esto habría proporcionado información adicional sobre el total fenómeno observado.
En Resumen, el procedimiento descrito en este informe también puede utilizarse para estudiar la dinámica de la evolución de onda simple, mientras que el sistema de alta velocidad descrito puede aplicarse a muchos campos de investigación con dinámica rápida como gota líquida ruptura21, 22/coalescence23, jets granular24, etc. donde se observan importantes fenómenos en una micro escala de tiempo.
Disclosures
Los autores no tienen nada que declarar.
Acknowledgments
Este trabajo fue patrocinado por el fondo de desarrollo de tecnología del petróleo (PTDF, Nigeria) y la ingeniería y el Consejo de investigación de ciencias físicas, Reino Unido, a través del programa subvención MEMPHIS (número de concesión K003976/EP/1). Los autores aprecian también fructíferas discusiones con el 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) |
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