Summary
פרוטוקול ללמוד התרומות של גלים droplet דיינמיקס ההשפעה על סרטים נוזלי זורם מוצג.
Abstract
Droplet ההשפעה היא תופעה נפוצה מאוד בטבע ומושך תשומת לב בשל משיכה האסתטי שלה יישומים למחשוב. מחקרים קודמים על סרטים נוזלי זורם הזניחו את התרומות של מבנים מרחביים של גלי כדי השפעת תוצאות, בזמן זה לאחרונה הוכח יש השפעה משמעותית על הדינמיקה השפעה טיפה. בדו ח זה, אנחנו חלוקה לרמות הליך שלב אחר שלב כדי לחקור את ההשפעה של כניסת תקופתיים אילוץ של סרט נוזלי זורם המוביל לייצור של גל רגיל spatiotemporally מבנים בדינמיקה ההשפעה טיפה. גנרטור פונקציה בקשר עם שסתום סולנואיד משמש לגרות מבנים אלה גל spatiotemporally קבוע על פני קולנוע בזמן הדינמיקה השפעה של טיפות בגודל אחיד נלכדים בעזרת מצלמה במהירות גבוהה. שלושה אזורים הנבדלים זה מזה אז נלמדים; בילוי באזור גל נימי שקדמו לשיא גל גדול, שטוח הסרט האזור והאזור הגיבנת גל. ההשפעות של גדלים חסרי ממד חשוב כמו הסרט ריינולדס, זרוק וובר, מספרים Ohnesorge פרמטרים על-ידי קצב הזרימה הסרט, טיפה מהירות וגודל ירידה גם נבדק. התוצאות שלנו להראות מעניין, עד כה לא ידועות dynamics הביא על ידי יישום זה סרט כניסת לאלץ של הסרט זורם שתי טיפות אינרציה נמוך וגבוה.
Introduction
Droplet ההשפעה היא תופעה נפוצה מאוד בטבע ומושך תשומת לב לכל צופה סקרן1. היא מהווה שטח מחקר פעיל עקב שלה יישומים רבים כולל קירור-ספריי, כיבוי אש, מדפסת הזרקת-דיו, תרסיס ציפוי, הפקדת הלחמה בליטות על מעגלים מודפסים, העיצוב של מנועי בעירה פנימית, ניקוי משטח והדפסה תא2. היישום שלה משתרע גם על חקלאות, למשל, טפטוף השקיה, ריסוס3,4. תאריכי העבודה החלוצית במאהה 19, עם העבודה של וורת'ינגטון5, בעוד התקדמות גדולה רק נעשו לאחרונה בשל הופעתה של הדמיה במהירות גבוהה6. מאז, מספר מחקרים בוצעו; באמצעות סוגים שונים של משטחים ההשפעה החל מוצקים7,8, רדוד,9 ו-10,בריכות עמוק נוזלי11 סרטים רזה12,13.
עם זאת, למרות הנפח הגדול של מחקר על השפעת droplet על משטחים נוזלי (קרי, בריכות רדודות ועמוקות וסרטים השבתה הדרגתית), השפעה על סרטים נוזלי זורם רזה לא קיבל מספיק תשומת-לב. בנוסף, עד כה, מחקרים הזניחו את התרומות של מבנים מרחביים של גלי droplet ההשפעה דיינמיקס.
בדו ח זה, אנו מציגים את הליך ניסיוני מפורט כדי לחקור את תהליך ההשפעה droplet על סרטים זורם dynamics אשר מושפעים על ידי כניסת-אילוץ של קצב זרימת הנוזל; להלן, אנו מתייחסים אליהם כמו סרטי "מבוקרת". אנו מוצאים כי אלה יש יישומים רבים בתעשיות טורבולנטית רב פזית (למשל, קירור שורה in מגדלי יוקרה, עמודות זיקוק, וכן גם במשטר הזרימה טבעתי נצפתה פאזיות), במיוחד כאשר פקד הסרט הפך להיות צעד חשוב ב התעצמות של חום ושל העברת המונים רבים תהליך תעשיות14. הקורא מעוניין נקרא שלנו בעבודה הקודמת15 לקבלת פרטים נוספים על התוצאות של מאמצינו מחקר על זה.
יישום זה של תדירות תנודות של קצב הזרימה כניסת גורמת להיווצרות של גלים רגילים על פני קולנוע. אנו מתמקדים משפחת גל בודד, אשר במהותו מאופיין על ידי פסגות צר מופרד באופן נרחב על ידי סדרה של חתיכת גלים נימי16,17,18. אנחנו לומדים את תוצאת ההשפעות המשויך שבין שלושת החלקים המרכזיים של המבנה גל בודד: 'הסרט שטוח', 'גל דבשת' ואזורי חתיכת "נימי גל'. אנחנו גם חדות תוצאות אלה עם אלה הקשורים סרטים זורם בצורה בלתי מבוקרת. התוצאות שלנו להראות כי הטבע סטוכסטי של גל מראה על הסרט לא מבוקרת משפיעה במידה ניכרת על התוצאה של השפעת ירידה, עם אזורים נפרדים הסרט מבוקר גם מציג מנגנונים חדשים, אשר יש לנו מפורט שניהם איכותית, באופן כמותי.
הקודם נייר15, באמצעות הליך דומה למדנו את השפעת הסרט פקד droplet הדינמיקה השפעה במשטר מתיז. התוצאות שהושג הראו הבדלים כמותיים ואיכותיים המורפולוגיה הכתר (גובה, קוטר, עובי הקיר, זווית הטיה, וכיוון) כמו גם התפלגות מספר, גודל טיפות משני בשניה.
בדו ח זה, אנו מתארים את הסידור מעוצב כדי להבין את תפקיד קריטי בגילומו של אלה למבנים מרחביים droplet ההשפעה dynamics, גם פרטי תמציתי נוכח הממצאים שלנו לא רק במשטר מתיז, אלא גם לתוצאות אחרות של רביב ההשפעה (בילוי הקפצה, הזזה, חלקי/סה כ coalescence). לפי הפרוטוקול הסטנדרטי המתוארים להלן, השפעת הסרט שליטה על הדינמיקה השפעה droplet ניתן יהיה ללמוד אופנה לשחזור.
Protocol
1. ניסיוני מעטה ההתקנה
הערה: ראה איור 1.
-
היחידה בסרט נופלים
- התחל על-ידי ניקוי פני השטח המצע (זכוכית) עם מטלית נקייה רכה. ודא שאין לכלוך היא דבקה פני השטח שלו, אשר תתאים את המאפיינים נוזלי.
- הגדר ציר המצע זכוכית זווית הנטייה הרצוי. זווית הנטייה, β, של 15˚ נעשה שימוש בעבודה זו.
- . הפעילי את משאבה חשמלית ולהבטיח על זרימת הנוזל נורמלי על פני קולנוע לנקות יותר את המצע זכוכית. לעבודה זו, הנוזל המבחן היה מים יונים.
- ודא השטח כולו של המצע wetted.
- למדוד את קצב הזרימה של הסרט באמצעות מד זרימה. לעבודה זו, קצב הזרימה היו מגוונים בין 1.667 x 10-3 10 x 10-3 מ'3/s עם הסרט המתאים מספר ריינולדס, Re = ρq/wµ, הנע בין 55.5 333. ואט הוא רוחב הסרט נופל, 0.30 מ'.
- בהדרגה להתאים את השסתומים על הקשר זרימה כדי לקבל קצב הזרימה הרצויה על המצע זכוכית.
- התאם את קבוצת צעד מיקרומטר לים הסרט הרוכש עובי הסרט Nusselt המתאימים עבור קצב הזרימה שבחרת, כדי למנוע קפיצה הידראולי הים סרט או זרם של אחורי של אוויר לתוך החדר הפצה.
- באופן ידני לשאוב אוויר בבית הבליעה הפצה כדי לקבל זרימה אחידה במורד הנהר על פני קולנוע.
-
יחידת בקרה הסרט
- ודא כי מחולל מחובר את ברז חשמלי דרך העברת שאינם latching באמצעות כרטיס רכישה נתונים (DAC).
- . הפעילי את הברז והן את מחולל אותות
- הגדר את מחולל כפייה התדר הרצוי. בעבודה זאת, שימשו תדרים של 2 ו- 3 הרץ.
- בחר את האות הרצוי גל (גל סינוס, גל sawtooth, גל מרובע, וכו '). בעבודה זאת, שימש אות גל סינוס. איור 2A ו- 2B להראות את הניגוד בין סרט בלתי מבוקרת וסרט מבוקרת.
-
מערכת ייצור רביב
- לצרף את צינורות פלסטיק נקי מזרק מלא מים.
- הכנס את המזרק הגנרטור droplet.
- מוספית מחט מזרק של גודל שבחרת (בהתאם לקוטר הרצוי droplet) לקצה השני צינורות פלסטיק. הטווח קוטר droplet למד היה בין 0.0023 ל 0.0044 מ'.
- להתאים את גובה הנפילה הירידה מעל פני השטח הסרט. בעבודה זו, גובה הנפילה של הטיפה היו מגוונים מ- 0.005 עד 0.45 מטר, נותן מהירות ההשפעה בין 0.30 ± 0.02 - 2.96 ± 0.06 m/s.
- באופן דומה, להגדיר את נקודת הפגיעה streamwise את הירידה לים הסרט. זה הוגדר 0.3 m בעבודה זו כדי להבטיח הגלים בנוי היטב לפני הפגיעה.
- הגדרת קצב הזרימה הרצויה עבור משאבת מזרק.
- להתאים את קצב הזרימה כדי להשיג את תדירות יצירת droplet גדול יותר מאורך הגל של הגלים שנוצרו על גבי הסרט; כדי להבטיח טיפות מההווה במרוכז על אזורים שונים של הסרט מבוקרת. ראה איור 2C; עם הגדלה של גל יחיד ב איור דו-ממדי כדי להראות את שוני בפרופיל זרימה מתחת19,20בכל אזור.
-
הגדרת הדמיה במהירות גבוהה
- מניחים את המצלמה על דוכן חצובה (או כל הסדר מתאים אחר).
- בחר את עדשת מאקרו עם אורך מוקד הרצוי ולהתחבר זה עם המצלמה.
- . הפעילי את המצלמה במהירות גבוהה ולהבטיח פוקוס ישיר על פני קולנוע. יישר את המצלמה על סטיות אופקיים ואנכיים 7˚ ו- 12˚ בהתאמה אל פני השטח הסרט. זה נותן תמונה מעולה הצדדית של תהליך ההשפעה, וכתוצאה מכך רזולוציה של מיקרומטר 67.5/פיקסל ו- 46.6 מיקרומטר לפיקסל בכיוונים streamwise ו- spanwise, בהתאמה.
- התאם את המוקד של המצלמה-העדשה (ליד הפתח הגדול) באמצעות פריט כיול מוצבת בדיוק על ההשפעה droplet ספוט.
- ברגע מוקד חדה התקבל, להקטין את הצמצם כדי להבטיח שרק כמות קטנה של אור נכנס למצלמה.
- הגדר את קצב המסגרות הרצוי, רזולוציה, ואת מהירות התריס של המצלמה במהירות גבוהה. קצב מסגרות של 5000 fps, 800 x 600 רזולוציה, גודל הצמצם 1/16, מהירות תריס של 1 µs שימשו בעבודה זו.
- מקם את מפזר אור מול מקור האור, כפי שמוצג באיור 1C, כדי להבטיח שהאור בצורה אחידה מפוזרת ברחבי האזור הדמיה.
- כוח על מקור האור כדי לאשר אחיד הפצת האור מעל האזור הדמיה.
2. כיול
הערה: ראה איור 3.
- לשים את סרגל בכיוון זרימת הסרט (בדיוק על הנקודה הפגיעה), להשיג תמונות של נקודות נמדד על פני קולנוע.
- אני חוזר אבל 2.1 עם הסרגל לכיוון spanwise.
- השתמש לעיל כדי להשיג את הפתרונות המרחבי על פני קולנוע.
3. וידאו, חדרי קירור והקפאה
- לאחר הסרט הזרימה הוא הוקם על האסדה, להתחיל את משאבת מזרק ולבחון את השפעת הטיפות מטפטפים על פני קולנוע.
- להתחיל את מחולל ולבחון את הייצור של גלים spatiotemporally קבוע על פני קולנוע.
- ודא טיפות רצופים משפיעים על אזורים שונים של פני השטח הסרט מבוקרת.
- לצפות את פוסט-מפעילה מסגרת מספר ולהגדיר את זה בערך מחצית האורך וידאו כדי שלמאחה ללכוד את ההשפעה.
- כוח על מקור אור, המפעיל לכידת התמונה השפעה קורה פעם אחת.
- כיבוי מקור האור לאחר לכידת התמונה יושלם כדי למנוע התחממות יתר של הסרט נוזלי.
- מבחינה ויזואלית לנתח את התמונה שהושג על מסך המחשב. לבדוק אם הפגיעה התרחשה על אחד של הסרט שטוח, גל נימי, או גל הגיבנת אזורים.
- לקצץ את הווידאו בחלק מציג תהליך ההשפעה ולשמור על הטווח של המסגרת בפורמט וידאו/תמונה.
- חזור על 3.5-3.8 ולהקליט ההשפעה בודדים על כל האזורים על פני השטח הסרט, viz הגיבנת בודד. , גלי נימי, וסרט שטוח.
4. התמונה שלאחר עיבוד וניתוח
- הנח סרגל בתוך שדה הראייה לחשב את הרזולוציה המרחבית על ידי ספירת מספר הפיקסלים מתאימים לרוחב 1 ס מ. באמצעות כיול התמונה, להשיג את גורם קנה המידה עבור התמונה ממד המדידה.
- להשוות את התוצאות של תהליך ההשפעה על אזורי ההשפעה שונה מן התמונות במהירות גבוהה. לבדוק הבדלים בולטים.
- באמצעות עיבוד תמונה מתאימה MATLAB שגרתי, למדוד את התכונות המאפיינים של התוצר של תהליך ההשפעה: כלומר במצב מתיז, למדוד את הכתר גובה, קוטר, עובי, הטיית זווית, כתר הפונה לכיוון, מספר וגודל הפצה של טיפות משני בשניה.
- לבצע כמותני דומה כמו 4.3 לעיל על ההשפעות נמוך-וובר. ספירת הזמן קמצוץ-off של הלוויין יורד מן הדימויים ותחום בזמן, למדוד את איפקס אורך ורוחב של העמודה נוצר coalescence חלקית לפני קמצוץ-off של טיפות משני. למדוד את גודל טיפות משני בשניה. לספור את מספר אשד בתהליך חוזרות קמצוץ-off.
- שימו לב כל ההבדלים איכותי בכל אזור.
Representative Results
בעיקרו של דבר, שתי קטגוריות של השפעות נחקרו; הראשון היה טיפות עם אינרציה נמוך (קרי, ירידה במספר וובר, (אנחנוd ρdu= 2/σ) החל 3.1 24.0 ואילו השני היה טיפות עם אינרציה גבוהה (i.e.,Wed 94 כדי 539) והתוצאה היא תוצאה הפתיחה. עם זאת, הליך ניסיוני דומה יושם על שני המחקרים. גדלים חסרי ממד קשורים אחרים השתמשו במחקר כוללות את הסרט מספר ריינולדס (Re = ρq/wµ, הנע בין 55.5 333), הסרט מספר וובר (אנחנו = ρhNuN2 /Σ, הנעים בין 0.1061 ו 2.1024), הירידה Ohnesorge מספר (או = ממוצע/ (ρσd)1/2, הנע בין 0.0018 לבין 0.0025) ואת המספר Kapitza (Ka = σρ1/3/g 1/3 µ 4/3, אשר מחושב להיות 3363 למים). עובי הסרט Nusselt (hN = [(3ממוצע2Re)/(ρ2gsinβ)]1/3) נמצא בטווח של 4.034 x 10-4 עד 7.328 x 10-4 מ', בזמן Nusselt הסרט מהירות (uN = ρgsinβhN2/3ממוצע) נמצא בטווח מ- 0.1376 ל- 0.4545 m/s. עבור כל מעל משוואות, q הוא קצב הזרימה הסרט, משתנה בין 0.001667 ו 0.01 m /s3; Β הוא הזווית הנטייה המצע, קבוע ב 15˚ על הציר האופקי; ממוצע ρ הם צמיגות צפיפות, בהתאמה, של מים מוערך 0.001 הרשות הפלסטינית s ו- 1000 ק"ג/m3; Σ הוא הכוח מתח (0.072 N/m); ג'י הוא כוח הכבידה (9.81 מ'/ש'2).
בההשפעות אינרציה נמוך, נצפתה המגמות, למרות קצת דומה (איור 4), הציג מספר הבדלים בפירוש spottable. קודם כל, זה היה בדרך כלל לב שגודל הטיפה בלוויין המיוצר על האזור הגיבנת גל הושווה תמיד גדול יותר באזורים אחרים של השפעה. במבט לאחור, ההפך נמצאה אמת על האזור גל נימי. הטיפות בלוויין תמיד היו קטנים מאוד. מצב זה מתרחש מאחר הגל רדיאלי המיוצר על ידי הירידה והשפעתן הופך ודוכאה על-ידי הגלים נימי קיים. כתוצאה מכך, עוד גל הפצת להאריך אנכית אל תפיל את מעוכבת, שתוצאתה הירידה לאבד את הפוטנציאל לפתח עמודה אנכית מספיק זמן, ובכך מובילים הפליטה של טיפות זעירות בלבד משני העמודים ודק נוצרו. זה היה גם ציין כי הנטייה של מפל צומצם הרבה על האמצע גל לעומת אזורים אחרים. בכל המקרים בחן, התוצר של coalescence חלקית, בקושי חווה coalescence חלקית נוספת, ואילו על סרט שטוח, למעלה עד שלוש עד ארבע שנצפו. גובה העמודה נצפתה גם להיות גבוה ביותר מוטה בכיוון הזרימה על האזור הגיבנת גל לעומת אזורים אחרים.
על האזור הסרט שטוח לעומת אזורים אחרים של השפעה, יש עלייה הנטייה של תוצאה הקפצה. מצב זה מתרחש בשל שימון חזק הכוח שהופעל על המסירה על ידי דק שטוח סרט זה, מאט את הניקוז/דילול של שכבת אוויר להתערב בין הירידה הסרט, ובכך מונע את המיזוג. אז זו התוצאה להרכב נצפתה ירידה, כמו גם את המראה הסופי. לשם השוואה, משפיע על הדבשת גל נוטים יותר coalescence חלקית, בין היתר בשל העובי של הסרט, העדר של גלים קיימים (כפי שנמצא באזור נימי גל), ואת סוף סוף הכוח שימון מופחתת הנגרמת על ידי זרימת מחזור ב אזור זה. אלה מצטברת להניב הדור של עמודות מעדיף יותר מאלה שהופק על אזורים אחרים.
עם עליית קצב הזרימה הסרט נוזלי (קרי, סרט Re); השפעות על הגלים נימי לעיתים קרובות גרמו הזזה עדין הירידה של הגל נימי ללא המיזוג (ראה איור 5a-5 h). זה טיפה מתגלגל (איור 5 d-5f) אחר כך מטפס הדבשת בודד על הקרובים-(איור 5 g ו- 5 h) שבו הוא חווה coalescence חלקית (לא מוצג). עם זאת, התוצאה של השפעה על אזור שטוח הסרט משתנה coalescence חלקית קבועה להעדיף את מצב הקפצה. במקרה של ההשפעה על הגל נימי, עליית הסרט Re הובילה גלים נימי הדוק יותר חולה אשר שימש בתור "כרית" שבו המסירה "רכב", ומכאן הזזה שנצפה את הטיפות. -לפחות מחדש, מהירה מאוד צובט את טיפה בדרך כלל נצפית על אזור שטוח הסרט (של גודל 90% הירידה הראשונית), עם ירידה זו חווה מצב "רוקדת" קצת לפני שזה מאוחר יותר ממזג ותוצאות coalescence חלקית רגילה זה הוא, עם זאת, לא ציין על אזורים אחרים של הסרט מבוקרת.
עם עלייה ירידה אנחנוd, זה היה ציין כי גובה העמודה גדל גם על אזור שטוח הסרט, הבליטה גל אבל מופחת על האזור גל נימי.
לבסוף, עם עלייה ירידה בגודל, עמודות ארוך ורחב נצפו על אזור שטוח הסרט, אשר בתורו הולידה טיפה יותר גדולה בלוויין. עם זאת, על האמצע, גל, זה נצפתה לא, במקום זאת, מעבר coalescence הכולל נצפתה. על גל נימי, הגדלת גודל טיפה הובילה הזזה מופחתת של הטיפה, מעבר כדי coalescence חלקית. עם זאת, השחרור הגדול ביותר, והניב כמעט מיד coalescence הכולל. סיכום של תוצאות אלו מוצגת בטבלה1.
מעבר droplet מהירות 1.70 ± 0.03 נקודות m/s, תוצאה הפתיחה נצפית בכל שלושת האזורים על פני קולנוע (איור 6). עם זאת, למרות תוצאה דומה נצפית גם במשטר זה, הבולט ההבדלים הם נצפו המורפולוגיה של הכתר נוצר-כליו גובה, קוטר, עובי הקיר, זווית הטיה, זמן התגבשו וכן מספר, גודל-חלוקת נפלט טיפות משנית.
באזור' גל דבשת', מבנה הכתר הוא שונה מזו 'נימי' ו 'שטוחים הסרט אזורים', כפי צורתה הוא יותר רגיל. בנוסף, הוא מחזיק חומה עבה הכתר, הגובה הכתר גבוהות מאלו הנהוגות את 'נים' ואת 'שטוח אזורים הסרט'. יש גם פחות טיפות משני נפלט מן השפה שלה בהשוואה הכתרים נוצרו באזורים אחרים. סוף סוף, זמן ארוך יותר coalescence הוא ציין לפני הכתר הוא נסחף על-ידי הסרט זורם.
'נימי גל' ו 'שטוח הסרט האזור', הכתרים נוצר גם מעט שונים בהתבסס על מספר תכונות. קודם, זה היה ציין כי גובה האחורי של הכתר מושפע שהדבשות נימי, כמו גם הדינמיקה היפוך זרימה באזור זה"נימי גל', ומכאן גורם הכתר נוצרו להופיע יותר זקוף. היפוך זרימה תוצאות התעבורה של המוני נוזלי לאחור אשר מגבירה את גובה האחורי של הכתר נוצרו. זה, עם זאת, לא נצפית על הסרטים שטוח: הכתר מטים באופן טבעי כיוון זרימת הנוזל ואת מטה עוד יותר עם הגדלת מחדש. הטיה זו ניתן לצפות בשני הקצוות ויוצאת של הכתר. לשם השוואה, על הגלים נימי, כמו הסרט ש-re הוא גדל, הצד האחורי של הכתר מופיע להיות יותר 'ישרים' בצורה די הפוכה מזו שנצפו על סרטים שטוחים. גובה הכתר על הסרט שטוח הוא אולם, גבוהה יותר על גלי נימי עקב הכליאה של המצע. יש גם התחלה מהירה יותר של droplet משני הוצאה משפת כתר, על גלי נימי לעומת זאת על סרטים שטוחים. לבסוף, הוצאתה של טיפות משנית יותר על שפתו של הכתר על סרטים שטוחים יותר על נימי גלי.
האבולוציה הטמפורלי של הכתר מראה מבנין חלש מקוטר הכתר על הסרט מחדש בכל האזורים של הזרם. התלות החלשה Re הוא ציין באזור' הגיבנת גל'. באזור' הסרט שטוח,' הגובה הכתר הוא ציין לגדול עם Re כמו שציפיתי, מאז גדול Re משויכים סרטים עבה יותר. מידת הכתר נטייה לכיוון כיוון הזרימה הוא גם גבוה יותר עם הגדלת Re 'הסרט שטוח', ואת 'גל להתעלק' אזורים; את האפקט הזה, עם זאת, נראה כי פחות מודגשת באזור' גל נימי'.
באזור' גל דבשת', ישנן טיפות פחות משני נפלט עם הגדלת שליח נראה שיש התלות חלש במקצת של הגובה הכתר Re, אמנם יש ירידה בזמן התגבשו הכתר עם הגדלת מחדש, שהיא התוצאה של מהירות מוגברת של הסרט זורם בהם ההשפעה מתרחשת, אשר במהירות מטאטא את הכתר התגבשו מנקודת הפגיעה המקורית. יש גם בשינוי הנטייה של הכתר באזור' גל דבשת' בהתאם התחרות בין כוח האינרציה הירידה והשפעתן של הסרט זורם. -התחתון Re, הכתר הפונה לכיוון הזרם, בזמן Re ערכים גבוהים יותר, הוא פונה נגד הזרם (איור 7). מגמה זו הוא לא ציין 'נימי גל' ו 'אזורים שטוח סרט'.
באזור' גל נימי,' עוד טיפות משניים הם נצפו על התחתון Re. יש גם עלייה הגובה הכתר הכללי עם Re, והוא, בבית התחתון מחדש, הוצאה droplet בעיקר לעבר הכיוון streamwise (עם החישוק הכתר גבוה יותר בחזית יותר בחלקו האחורי, גם מוטה יותר לכיוון streamwise כיוון). הגובה הופך יותר סימטרי-גבוה יותר Re, אשר הוא האמין להיות בעקבות השפעת איזון שהדבשות גבוה יותר אילו גלי נימי מחזיקים שלהם מאחור, ובכך איזון את הגובה רים הכתר מאחור.
עם הירידה אפקט וובר, זה יכול להיות שנצפו כי הקוטר הכתר מגביר קצב עם הגדלת אנחנוd; הקצב הגדול מזוהה עם "גל הגיבנת האזור". הבדלים נוספים נצפו המספר, גודל הפצת ה-droplet משני בשניה במשטר הזה מתיז מוצגים באיור 8 , איור 9, בהתאמה. סיכום של תוצאות אלו מוצגת בטבלה מס ' 2.
איור 1: האסדה ניסיוני. (א) ייצוג סכמטי של המתקן ניסיוני, בהיקף של יחידת הסרט נופל זרימה של הסרט נוזלים על המצע זכוכית נוטה; יחידת הבקרה הסרט (המורכב של שסתום סולנואיד מחובר על פני העברת שאינם latching באמצעות הנתונים רכישת כרטיס מחולל פונקציה אשר שולח איתותים אוטומטיים שולט בפתיחה וסגירה של הברז); מזרק משאבה המשמש את הדור של טיפות בגדלים מבוקרת מגובה מחושב מעל פני השטח הסרט, ומצלמה במהירות גבוהה עבור הדמיה דיגיטלית. התוצאות שהושג מנותחות על מערכת המחשב. לשכפל אדאבאיו & 2017 מטר15 לאחר אישור של החברה המלכותית לכימיה. (B) נוף ציורי של המתקן. (ג) - (ד) תיאור ציורי של סידור תאורה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: השפעת הסרט שליטה בדינמיקה האבולוציה גל על סרט נוזלי זורם. (א) שדוגרפיה תמונה של הסרט השטח לפני הסרט שליטה. הסרט מאופיין על ידי הנוכחות של באופן טבעי מתפתח גלים סטוכסטי בטבע ומותאמים התערוכה dynamics ייתכן לא סדיר. (B) שדוגרפיה תמונה של פני השטח הסרט אחרי שאוציא. הגלים הם עיבוד spatiotemporally קבוע וצפוי, תרומות של המבנה המרחבי להפיל את ההשפעה קל ללמוד. (ג) גיבוש גל בודד על סרט מבוקרת נוזלי זורם סימון של אזורים שונים על הסרט פני שטח בילוי נימי גל, הסרט שטוח גל לזיין אזורים. (ד) Magnified תצוגה של מבנה מיוחד במינו גל מציג את פרופיל זרימה בתוך כל אזור. לשכפל אדאבאיו & 2017 מטר15 לאחר אישור של החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: רזולוציה מרחבית ב 5000 fps. עם זווית הנטייה המצע של 15˚, הרזולוציה המרחבית מחושבת להיות מיקרומטר 67.5/פיקסל לפיקסל מיקרומטר 46.6 בכיוונים streamwise ו- spanwise, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4: השפעת הסרט שליטה על התוצאה נמוכה ההתמדה טיפות להשפיע על אזורים שונים של הסרט זורם מבוקרת, בניגוד נגד סרט בלתי מבוקרת. Droplet הסתיו-הגובה הוא 0.005 מ', ירידה גודל הוא 3.3 מ מ, מהירות הסרט הוא 5 x 10-3 מ'3/s, אילוץ תדירות הוא 2 הרץ, המתאימים הסרט מחדש 166.5, זרוק לנו 3.134, או 0.0021. אל תפיל את מתקרבת פני השטח הסרט (א), על קשר (b), מפעילה את הניקוז של שכבת אוויר להתערב בינו לבין הסרט. תוצאות אלו ב להרכב של צורת טיפה, התפשטות רדיאלי של נימי אדוות על פני השטח הסרט, יזם את נקודת הפגיעה (c-d). לאחר השכבה אוויר קרוע, מיזוג של הטיפה נוזלי עם הסרט נוזלי הוא הנצפה (e), גידול אנכי של עמודה נוזלי גלילי (במקרה חלקי/סה כ coalescence). זה מלווה לאקט עצמו גלי נימי על העמודה נוצר, אשר מאריך את זה. בסופו של דבר, קמצוץ-off של טיפה לוויין הוא ציין (g-h), במקרה coalescence חלקית, שהיא בעלת גודל קטן יותר עד הטיפה אמא הראשונית. שידור חוזר של תהליך coalescence הוא ראה גם כן (i-j). הבדלים איכותיים נראים התוצאות שנמדדו (coalescence או הקפצה או הזזה או חלקית) ואת נוכחותם של מפל; בעוד הבדלים כמותיים הם נצפו בזמן צביטה-off, גודל העמודה נוזלי (גובה ורוחב) נוצר, גודל טיפה בלוויין בשניה, ומצביע המפל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 5: רביב הזזה על אזור גל נימי סרט זורם מבוקרת. הקוטר droplet 2.3 מ מ, בגובה הנפילה של מ' 0.008 תוך כדי הזרימה הסרט הוא שיעור 10 x 10-3 מ'3/s, המתאים או = 0.0024, אנוd = 5.014, ולצלם Re = 333, בהתאמה. מכריח בוצע ב 2 הרץ. (א) הגישה. (ב) קשר. (c-f) מתגלגל טיפה. (g-h) טיפוס בודד הדבשת המתקרבת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 6: השפעת הסרט פקד מתיז תופעות אזורים שונים של השפעה על סרט זורם מבוקרת, בניגוד נגד סרט בלתי מבוקרת. הקוטר droplet 3.3 מ מ, בגובה הנפילה של 0.25 m בעוד הזרם הסרט קצב הוא 5 x 10-3 מ'3/s, המתאים או = 0.0021, אנוd = 224.8, ולצלם Re = 166.5, בהתאמה. מכריח בוצע ב 2 הרץ. הירידה נוזלי מתקרב פני השטח הסרט (א) ומפתחת מיד על קשר (b), גיליון הפסולת בוהקת שגדל לתוך הכתר (ג). גידול כתר (d-e) התשואות מאוחר יותר חוסר יציבות ריילי-מישור, מה שמוביל הפליטה של טיפות קטנות של השפה שלה (f-j). הכתר מתמוטט לאחר מכן, מתלכד עם הסרט (k), מובלים משם על ידי הזרם המתקרבת. ההבדלים ייחודי בתוצאה ההשפעה על האזורים הבודדים של ההשפעה נראים הגודל (גובה, קוטר) של הכתר בנוי, מספר ותטה. התפלגות גודל טיפות משני בשניה, מידת הכתר, עובי הקיר, כתר מול הכיוון והשעה coalescence הסופי. לשכפל אדאבאיו & 2017 מטר15 לאחר אישור של החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 7: השפעת הסרט ריינולדס ושחרר וובר על הפצת הכתר באזור' הגיבנת גל'- הגודל droplet הוא 3.3 מ מ, המתאים או = 0.0021 ושחרר את הנפילה הגולן היו מגוונים של 0.20 0.35 מ' (המתאימים כדי לנוd = 179.8-314.7) בעוד Re הוא בטווח של 55.5 כדי 333. היהלומים האדומים מתארים תוצאות עם הכתר פונה. לכיוון הזרם בעוד היהלומים הכחולים מציגים תוצאות הכתר הפונה נגד הזרם. הנטייה הכתר מושפע התחרות בין כוח האינרציה הירידה והשפעתן של הסרט זורם. באופן ספציפי, נמוך Re, הכתר נוטה לעבר הכיוון streamwise אבל כרווחים האינרציה של הסרט זורם בחשיבותם, הכיוון משתנה לבין פונה במעלה הזרם. כיוון הכתר נגד הזרם-הפונה נשמר מעבר ערך מחדש של 250 ללא קשר לגודל אנחנוd. לשכפל אדאבאיו & 2017 מטר15 לאחר אישור של החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 8: וריאציה של מספר טיפות משני נפלט מן השפה הכתר באזורים שונים ההשפעה של סרט מבוקר (viz 'גל נימי' ' שטוח ' ו 'גל דבשת' אזורים, המוצג משמאל לימין, בהתאמה) בניגוד נגד הסרט לא מבוקרת. הגודל droplet הוא 3.3 מ מ המקביל או = 0.0021, ושחרר את הגולן מגוונות של 0.20 ל 0.35, וכתוצאה המהירות בטווח 1.981-2.621 מ'/s (המתאימים כדי לנוd = 179.8-314.7). המלבנים אדום מתארים טיפה גובה הנפילה של 0.35 מ', הירוק יהלומים 0.3 m, הכחול במעגלים 0.25 m ו הכתום ריבועים 0.2 מ', בהתאמה. מספר טיפות משני בשניה עלייה עם טיפה אנחנו בכל האזורים תוך מגמה לא אחידה נצפית עם סרט עלייה Re : על האמצע, גל, יש ירידה במספר טיפות משני בשניה בזמן על גל נימי והן שטוח סרט אזורים, יש עלייה קלה. טבילה הוא הבחין סביב הסרט Re 166.5 עבור הגל נימי, אשר מתרחשת עקב התחרות בין בין המהירויות וקולו של תפיל את זה של הסרט. המגמה מידתית מובחנים בלתי מבוקרת הסרטים הוא האמין להתרחש כתוצאה של הטבע סטוכסטי של הגלים על פני קולנוע. לשכפל אדאבאיו & 2017 מטר15 לאחר אישור של החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 9: ההשפעה של אזור ההשפעה על התפלגות גודל בשניה droplet משני בסרט מבוקרת בניגוד נגד סרט בלתי מבוקרת. גודל טיפה הוא 3.3 מ מ אמנם קצב הזרימה הסרט 5 x 10-3 מ'3/s המתאים סרט מחדש של 166.5 ושחרור או 0.0021. נפילה הגולן של הירידה הם 0.2, 0.25, 0.3 ו- 0.35 מ' המתאים אנחנוd 179.8, 224.8, 269.8 ו- 314.7 בהתאמה. על גל נימי, הצורה של ההתפלגות היא במידה רבה שהודעה עם גידול מספר וובר אבל עלייה ניכרת מספר טיפות של הטווח 0.5 עד 1.0 מ מ. על הסרטים שטוח, עם זאת, התפלגות גודל נצפית משתנה מ- 0 עד 2.0 מ מ, ולא משמרת נצפית לכיוון 0 עד 0.5 מ מ בגודל הטיפות כפי המספר וובר הוא גדל. עלייה זו במספר טיפות קטן נפלט מבחין בבירור שטוח הסרט האזור מאזורים אחרים. על האמצע, גל, התפלגות גודל מראה כי טיפות גדולות בטווח (1.0 אל 2.0 מ מ) המערכת מוציאה גם עבור המספר הקטן ביותר של וובר בחן. בניגוד לאמור לעיל, גודל טיפה ההפצות המשויך סרט בלתי מבוקרת התערוכה לא צורה discernibly נפרדים בשל האופי סטוכסטי של גלים על סרטים כאלה. לשכפל אדאבאיו & 2017 מטר15 לאחר אישור של החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
| פרמטרים | גל נימי אזור | שטוח הסרט האזור | גל הגיבנת אזור |
| איפקס גובה עמוד הנוזל | קצר | בינוני | גבוהה |
| גודל טיפה לווין | קטן | ממוצע | גדול |
| קיום אשד | נדיר | כן | אף אחד |
| להגביר את ההשפעה של רי | תופעות הזזה | הקפצה תופעות | מעבר אל coalescence סה |
| ההשפעה של עלייה אנחנו | להקטין את גובה עמוד | להגדיל את גובה העמודה | להגדיל את גובה העמודה |
| להקטין את ההשפעה של הו | ירידה מופחתת הזזה | טיפות גדולות בלוויין עמודות ארוך ורחב, | מעבר אל coalescence סה |
טבלה 1- הבדלים פרמטרית בדינמיקה השפעה נמוכה-אינרציה droplet על אזורים שונים של סרט זורם מבוקרת.
| פרמטרים | גל נימי אזור | שטוח הסרט האזור | גל הגיבנת אזור |
| צורת כתר | לא סדיר | לא סדיר | רגיל |
| גובה הכתר | גבוהה | גבוה יותר | הגבוהה ביותר |
| עובי הקיר הכתר | דק | רזה | עבה |
| מספר טיפות משני | יותר | רוב | קטן/אף אחד |
| זווית הטיה הכתר | מפחית עם סרט Re | גדל עם הסרט Re | היפוך מעבר Re 250 |
| זמן התגבשו | מהיר | . לאט | עוד עיכוב |
| להגביר את ההשפעה של הסרט Re | כתר הופך להיות יותר "זקוף" | להגדיל את הכתר בגובה, כתר-הנטייה תלול בכיוון זרימת הסרט, | ירידה במספר טיפות משני, לשנות את הכתר הפונה לכיוון מעבר Re 250 |
| ההשפעה של ירידה עלייה וובר | קודם תחילת ואת עלייה במספר טיפות משני גידול בקוטר הכתר שלך. | לודיג מספר טיפות המשני, כתר גובה, קוטר הכתר; להקטנת גודל טיפות משני | להגדיל מספר טיפות משני הכתר גובה, קוטר הכתר, coalescence הזמן, שינוי בכיוון הפונה הכתר. |
| ההשפעה של ירידה או ירידה | לודיג הכתר קוטר וגובה | לודיג הכתר קוטר וגובה | לודיג הכתר קוטר וגובה |
בטבלה 2. הבדלים פרמטרית בדינמיקה השפעה גבוהה-אינרציה droplet על אזורים שונים של סרט זורם מבוקר (המשטר מתיז).
Discussion
בחלק זה, אנו מספקים צורך להבטיח תוצאות איכותיות מתקבלים מן הפרוטוקול כמה טיפים. ראשית, המצע זכוכית שעליו הסרט נוזלי הזורם חייב להישמר לחלוטין עפר ללא כדי להבטיח את המאפיינים של הסרט נוזלי נשמרים ללא פשרות. זהו בר השגה על ידי ניקוי קבוע (כנראה באמצעות חומר ניקוי מתאים, ו לנגבם מגש כדי למנוע התפרקות לתוך המערכת). באופן דומה, צריך להיות תחליף קבוע של הנוזל-המבחן כולו, אחרי כמה סיבובים ניסיוני, כדי להבטיח תוצאות מדויקות.
שנית, תא נוזל-הפצה חייב להיות meshed היטב, גם נשמרים אוויר חזק כדי להבטיח שהסרט נוזלי outflowing הוא אחיד. ניתן לבצע זאת בשאיבת האוויר מחוץ לקופסה הפצה לפני ניסוי באופן ידני. השימוש של מיקרומטר-שלבים-הים סרט מומלץ להגדיר את הפער-הגובה-הים סרט על עובי הסרט המדויק שמנבאת את ההערכה Nusselt של זרימת הסרט במספר ריינולדס המתאימים. פעולה זו תמנע לקפוץ הידראולי או זרם אחורי-הים.
המבצע של ברז חשמלי חייב להיות תמיד גם בדק, לקביעה כראוי. זאת משום pulsation המתאים של הזרם נדרש כדי להבטיח את הייצור של הגלים בכפייה. זה יכול להיבדק מן הרגיל לחיצה על הצליל של הברז, כמו גם pulsation נתפסת לאורך הצנרת חיבור. קצב זרימת הנוזל לתוך למשאבה מזרק גם להגדיר בקפידה כדי להבטיח שטיפות המערכת מוציאה בצורה טפטוף, הימנעות בכל האצה מראש לפני נפילה.
כיול המתאים של המצלמה במהירות גבוהה והקפדה כדי לקבל תוצאות מדויקות מאוד. גודל הצמצם חייב גם להיות בקפידה בהתחשב בפרמטרים כמו עומק שדה, זמן החשיפה, בהירות התמונה הכוללת. למצלמה מפעילה במהלך הקלטת וידאו, משתמשים נדרשים גם להעריך כמה מסגרות צריך להירשם לפני מפעילה. זו עשויה להשתנות עם יחידים, תלוי בזמן השפעת ירידה, ולכן, מספר בדיקות ניסיון לתרגול מומלץ לפני מדידות בפועל. באופן דומה, מקור האור חייב להיות מסודרים כראוי, כשמאירים היטב כדי למזער את הצל בתמונה.
חשוב לציין ולזכור כי המוקד העיקרי של המחקר הוא התרומות של הגלים הדינמיקה השפעה של הטיפות נופלים, ומכאן היווצרות מבנים גל רגיל חיוני מחקר מדויק של העיקרון הבסיסי. בתרחישים שבו המבנים גל שנצפו במהירות מעבר מבנים תלת מימדיים, מומלץ כי זווית הנטייה המצע להיות מופחת14,19 כדי להקל על מעבר איטי של המבנים גל .
מגבלה אחת של הטכניקה הוא ציין בהעדר מכשיר מדידה המציין את עובי הסרט מיידי בפועל על כל אזור הפגיעה. זה היה מספק פרטים על התופעה נצפתה הכללית.
לסיכום, ההליך המתוארים בדו ח זה יכול לשמש גם בחקר דינמיקה האבולוציה גל פשוטה, בעוד מערכת ההדמייה במהירות גבוהה תיאר שניתן להחיל על תחומי מחקר רבים עם דינמיקה מהירה כגון ירידה נוזלי הפרידות21, 22/coalescence23, מטוסי פרטנית24, וכו איפה תופעות חשובות הם נצפו על ציר זמן מיקרו...
Disclosures
המחברים יש ריהצהל.
Acknowledgments
עבודה זו התקיים בחסות נפט טכנולוגיית פיתוח הקרן (PTDF, ניגריה) ואת הנדסה המועצה למחקר מדעי, בריטניה, בממפיס גרנט תוכנית (גרנט מספר EP/K003976/1). המחברים גם מעריך דיונים פוריים עם ד ר Zhizhao צ'ה.
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).
