Summary
En protokoll for å studere bidrag av bølger til slippverktøy impact dynamics flytende væske filmer presenteres.
Abstract
Slippverktøy virkningen er et svært vanlig fenomen i naturen og tiltrekker seg oppmerksomhet med sin estetiske fascinasjon og vidtrekkende applikasjoner. Tidligere studier på flytende væske filmer har forsømt bidrag av romlige strukturer av bølger til effekten resultatet, mens dette har nylig vist å ha en betydelig innflytelse på slipp innvirkning dynamikken. I denne rapporten skissere vi en fremgangsmåte for å undersøke effekten av periodiske innløp tvinge en flytende væske film fører til produksjon av spatiotemporally vanlig bølge strukturer på slipp impact dynamics. En funksjonsgenerator i forbindelse med en magnetventil brukes å opphisse disse spatiotemporally vanlig bølge strukturer på filmen overflaten mens innvirkning dynamikken i uniform store dråper er tatt ved hjelp av et høyhastighets kamera. Tre atskilte områder er studerte; nemlig regionen kapillær bølge foregående stor bølge toppen regionen flat film og bølge hump regionen. Effekten av viktige dimensjonsløs størrelser som filmen Reynolds, slippe Weber og Ohnesorge tallene parametriserte filmen strømningshastighet, miste fart og slipp størrelse er også undersøkt. Våre resultater viser interessant, hittil uoppdagede dynamics forårsaket av denne bruken av filmen innløp tvinge av flytende filmen for både lav og høy treghet drops.
Introduction
Slippverktøy virkningen er et svært vanlig fenomen i naturen og tiltrekker seg oppmerksomhet fra alle nysgjerrige observatør1. Det utgjør et aktivt forskningsfelt på grunn av sine mange programmer inkludert spray-kjøling, brann undertrykkelse, inkjet-utskrift, spray belegg, deponering av loddetråd humper på kretskort, utformingen av forbrenningsmotorer, overflate-rengjøring og celle-utskrift2. Programmet utvider også landbruk, f.eks sprinkling vanning og beskjære sprøyting3,4. Banebrytende arbeid dateres tilbake til det 19th århundret, med arbeidet til Worthington5, mens store fremskritt har bare vært nylig gjort på grunn av fremveksten av høyhastighets tenkelig6. Siden da har er flere studier utført; bruker ulike typer innvirkning overflater spenner fra tørrstoff7,8, grunne,9 og dypt flytende bassenger10,11 til tynne filmer12,13.
Men til tross for det store volumet av forskning på slippverktøy innvirkning på flytende overflater (dvs. grunne og dype bassenger og quiescent filmer), har innvirkning på flytende tynne flytende filmer ikke fått så mye oppmerksomhet. I tillegg hittil, har studier forsømt bidrag av romlige strukturer av bølger til slippverktøy impact dynamics.
I denne rapporten presenterer vi en detaljert eksperimentelle prosedyren for å undersøke slippverktøy innvirkning prosessen flyter filmer som dynamics påvirkes av vik-tvang av flytende infusjonshastigheten; nedenfor henviser vi til dem som "kontrollert" filmer. Vi finner at disse har mange programmer i flerfase bransjer (f.eks i kjøling tårn, i destillasjon kolonner, og også i ringformede flyt regimet observert i tofaset renn), spesielt som filmen kontroll har blitt et viktig skritt i den intensivering av både varme og masse overføring i mange prosessen bransjer14. Den interesserte leseren kalles våre tidligere arbeid15 for mer informasjon om resultatene av vår forskningsinnsats på dette.
Denne bruken av frekvens oscillerende infusjonshastigheten innløp resulterer i dannelsen av vanlige bølger på filmen overflaten. Vi fokuserer på ensom bølge familien, som kjennetegnes hovedsakelig av mye atskilt trange topper og innledes med en rekke Frontserveren kjører kapillær bølger16,17,18. Vi studerer utfallet av konsekvensene knyttet til tre hoveddelene i ensom bølge strukturen: den "flate film", "bølge hump" og Frontserveren kjører 'kapillær bølge' regioner. Vi har også kontrast disse resultatene med de ukontrollert flytende filmer. Våre resultater viser at Stokastisk natur bølge opptreden på ukontrollert filmen markert påvirker utfallet slipp innvirkning, med separate regionene kontrollert filmen viser nye mekanismer, som vi har detaljerte både kvalitativt og kvantitativt.
I forrige papir15, studerte bruke den samme fremgangsmåten, vi effekten av filmen kontroll slippverktøy impact dynamics i spruting regimet. Innhentet resultatene viste både kvantitative og kvalitative forskjeller i kronen morfologi (høyde, diameter, veggtykkelse, vinkel og retning) og antall og størrelse distribusjon av utløst sekundære dråpene.
I denne rapporten beskriver vi designet satt opp for å forstå den kritiske rollen disse romlige strukturer i slippverktøy innvirkning dynamikk og også tilstede konsis detaljer om våre funn ikke bare i spruting regime, men også for andre resultater av slippverktøy effekten (viz. spretter, skyve, delvis/totalt Koalesens). Ved å følge standard-protokoll beskrevet nedenfor, kan effekten av filmen kontroll slippverktøy innvirkning dynamikken studeres i en reproduserbar mote.
Protocol
1. eksperimentelle rigg-oppsett
Merk: Se figur 1.
-
Fallende filmen enhet
- Start ved å rense substrat (glass) overflaten med en ren, myk klut. Sikre nei skitt er overholdt overflaten som ville endre egenskapene flytende.
- Angi pivot barometer substrate ønsket bøyningsvinkelen. En bøyningsvinkelen, β, av 15˚ ble brukt i dette arbeidet.
- Slå på den elektrisk pumpen og sikre en normal flytende flyt på filmen overflaten ytterligere rydde glass underlaget. For dette arbeidet var testen væsken deionisert vann.
- Kontroller hele overflaten av underlaget er fuktet.
- Måle film infusjonshastigheten bruker gjennomstrømningsmåler. Til dette flow rate var variert mellom 1.667 x 10-3 og 10 x 10-3 m3/s med tilsvarende filmen Reynolds nummer, Re = ρq/wµ, varierer mellom 55,5 og 333. w er fallende filmen bredde, 0,30 m.
- Gradvis justere ventilene på flyt tilkoblingen å få ønsket flow rate på glass underlaget.
- Juster mikrometer trinn på filmen innløpet til tilsvarende Nusselt filmen tykkelse verdien for valgte infusjonshastigheten, å unngå et hydraulisk hopp på filmen innganger og en tilbakestrømning av luft i distribusjon kammeret.
- Manuelt Hevert alle luft i distribusjon chamber å få en jevn flyt nedstrøms på filmen overflaten.
-
Filmen kontrollenhet
- Kontroller at funksjonen generatoren er koblet til magnetventil gjennom en ikke-låsingen relé via et oppkjøp datakort (DAC).
- Slå på både magnetventil og funksjonsgenerator.
- Angi funksjonsgenerator tvinger ønsket. I dette arbeidet, ble frekvenser av 2 og 3 Hz brukt.
- Velg ønsket bølge signalet (sinusbølge, Sagtann bølge, firkantbølge, etc.). En sinuskurve signal ble brukt i dette arbeidet. Figur 2A og 2B viser kontrasten mellom en ukontrollert film og en kontrollert film.
-
Slippverktøy generasjon system
- Fest en ren plast rør fylt med vann sprøyte.
- Legg sprøyten i slippverktøy generatoren.
- Fest en sprøyte nål valgt størrelse (avhengig av ønsket slippverktøy diameter) til den andre enden av plast slangen. Slippverktøy diameter området studerte var mellom 0.0023 til 0.0044 m.
- Juste fall høyden av drop på filmen havoverflaten. I dette arbeidet, drop's fall høyde var variert fra 0.005 0,45 m, effekten raskt mellom 0,30 ± 0,02 - 2.96 ± 0,06 m/s.
- På samme måte satt streamwise virkningen av drop fra filmen inntaket. Dette ble satt til 0,3 m i dette arbeidet å sikre bølgene er godkjent før virkningen.
- Angi en ønsket flow rate for sprøytepumpen.
- Justere infusjonshastigheten for å oppnå en dråpe generasjon frekvens større enn Bølgelengden av bølgene dannet på filmen overflaten; sikre drops suksessivt impinge på ulike regioner av kontrollert filmen. Se figur 2C; med en utvidelse av et entall bølgeform i figur 2D vise ulikheter i flyt profilen under hver region19,20.
-
Høyhastighets tenkelig oppsett
- Plass kameraet på en tripod stativ (eller andre passende ordning).
- Velg makrolinse med ønsket brennvidde og koble denne til kameraet.
- Slå på høy hastighet kameraet og sikre direkte fokus på filmen overflaten. Justere kameraet på 7˚ og 12˚ horisontale og vertikale avvik henholdsvis til filmen overflaten. Dette gir et utmerket side-visning bilde av virkningen prosessen, noe som resulterer i en oppløsning på 67.5 µm/bildepunkt og 46,6 µm/bildepunkt i streamwise og spanwise retninger, henholdsvis.
- Justere fokus for kameralinsen (på den største blenderåpningen) bruker en kalibrering elementer som plasseres nøyaktig på slippverktøy virkningen spot.
- Når et skarpt fokus er oppnådd, redusere blenderåpning for å sikre at bare en liten mengde lys inn kameraet.
- Angi ønsket bildefrekvens, oppløsning og lukkertid på høyhastighets kameraet. En bildefrekvens på 5000 fps, 800 x 600 oppløsning, blenderåpning størrelse 1/16 og en lukkerhastighet på 1 µs ble brukt i dette arbeidet.
- Plass lys diffuseren foran lyskilden, som vist i figur 1 c, å sikre lyset er jevnt diffust over regionen tenkelig.
- Slå på lyskilden å bekrefte uniform spredning av lys over tenkelig området.
2. kalibrering
Merk: Se Figur 3.
- Sette en linjal i flytretningen filmen (nøyaktig på stedet av virkningen) og få øyeblikksbilder av målt poeng på filmen overflaten.
- Gjenta 2.1 men med linjalen i spanwise retning.
- Bruk det over å få romlige vedtak på filmen overflaten.
3. videoopptak og datainnsamling
- Når filmen flyt er opprettet på riggen, start sprøytepumpen og observere virkningen av dryppende dråper på filmen overflaten.
- Start funksjonsgenerator og observere produksjonen av spatiotemporally vanlig bølger på filmen overflaten.
- Sikre påfølgende drops påvirker de ulike regionene i kontrollerte filmen overflaten.
- Observere post følge ramme tall og sette dette omtrent halvparten av videolengden tilstrekkelig fange virkningen.
- Slå på lyskilde og utløser image fange når transaksjonsvolumet skjer.
- Slå av lyskilden når avbildningsopptak er fullført for å unngå overoppheting av væsken filmen.
- Visuelt analysere innhentet bildet på skjermen. Kontroller om virkningen oppstod på en av flat filmen, kapillære bølge, eller bølge hump regioner.
- Trimme ned videoen delen viser virkningen prosessen og lagre område i et videobilde/format.
- Gjenta 3.5-3.8 og post enkeltes innvirkning på alle områder på filmen overflaten, nemlig. ensom hump, kapillære bølger og flat film.
4. image etterbehandling og analyse
- Plasser en linjal i synsfeltet og beregne romlig oppløsning ved å telle hvor mange piksler passer over 1 cm. ved hjelp av kalibrering bilde, få en skalaen faktoren for bildet dimensjon måling.
- Sammenligne resultatene av innvirkning på annen innvirkning regionene fra høyhastighets bilder. Kontroller bemerkelsesverdig forskjellene.
- Ved hjelp av en passende MATLAB bildebehandling rutine, måle egenskaper funksjonene i produktet av virkningen: nemlig i spruting modus, måle crown høyde, diameter, veggtykkelse, tilt vinkel, kronen mot retning, antall og størrelse distribusjon av utløst sekundære dråper.
- Utføre lignende kvantitative analyser som 4.3 ovenfor for lav-Weber virkninger. Antall snev av tidspunktet for satellitt drops fra tid-innrammet bilder og måle apex lengden og bredden på kolonnen i delvis Koalesens før snev av sekundær dråper. Måle størrelsen på utløst sekundære drops. Telle antall gjennomgripende i en gjentatt snev av prosess.
- Observere alle kvalitative forskjeller i hver region.
Representative Results
I hovedsak ble to typer virkninger undersøkt. Først var for dråper med lav treghet (dvs. slipp Weber nummer (vid= ρdu2/σ) alt fra 3.1 til 24,0 mens andre var for dråper med høy treghet (i.e.,Wed 94 til 539) resulterer i en splash utfall. Samme eksperimentelle prosedyren ble imidlertid fulgt for både studier. Andre relaterte dimensjonsløs mengder brukt i studien inkluderer filmen Reynolds nummer (Re = ρq/wµ, varierer mellom 55,5 og 333), filmen Weber nummer (vi = ρhNuN2 /Σ, varierer mellom 0.1061 og 2.1024), slipp Ohnesorge nummer (Oh = µ/ (ρσd)1/2, varierer mellom 0.0018 og 0.0025) og Kapitza (Ka = σρ1/3/g 1/3 µ 4/3som var beregnet til 3363 for vann). Nusselt film tykkelsen (hN = [(3µ2Re)/(ρ2gsinβ)]1/3) ble funnet å rekkevidde fra 4.034 x 10-4 til 7.328 x 10-4 m, mens Nusselt filmen hastighet (uN = ρgsinβhN2/3μ) ble funnet å rekkevidde fra 0.1376 0.4545 m/s. For alle over ligninger er q filmen flow rate, varierer mellom 0.001667 og 0,01 m3/s; Β er bøyningsvinkelen substrat, fast på 15˚ til horisontalt; µ og ρ er viskositet og tetthet, henholdsvis vann anslått til 0,001 Pa s og inntil 1000 kg/m3; Σ er overflatespenning kraften (0.072 N/m). g er kraft (9.81 m/s2).
I lav treghet virkninger, trender observert, men litt lignende (Figur 4), viste en rekke utpreget spottable forskjeller. Først var det vanligvis merket at størrelsen på satellitt drop produsert på regionen bølge hump var alltid mer i forhold til andre regioner av virkningen. I ettertid finner motsatt ekte på kapillære bølge regionen. Satellitt dråper var alltid veldig liten. Dette skjer fordi radial bølgen produsert på påvirker drop blir undertrykt av eksisterende kapillær bølgene. Resultatet er ytterligere bølgeutbredelse til loddrett forlenge drop hemmet, som resulterer i rullegardinlisten mister dens potensial for å utvikle en tilstrekkelig lang vertikal kolonne, og dermed ledende til utstøting bare ørsmå sekundære dråper fra kolonnene slanke dannet. Det ble også observert at tendensen av en kaskade mye redusert på bølge hump sammenlignet med andre regioner. I alle tilfeller undersøkt, produktet av delvis Koalesens, knapt opplevd en annen delvis Koalesens, mens på en flat film, opp til tre til fire er observert. Kolonnen høyde ble også observert for å være høyere og mest skrå i flytretningen på bølge hump regionen sammenlignet med andre regioner.
På flat filmen regionen sammenlignet med andre regioner av konsekvenser er det en økning i tendensen til en hoppende utfall. Dette skjer på grunn av den sterke smøring kraften på miste av denne tynn flat filmen, som bremser ned drenering/fortynning av mellomliggende luft laget mellom drop og filmen, og dermed hindre fusjonen. Dette resulterer i observerte slipp deformasjon samt eventuell lift-off. Sammenligning virkninger på bølge hump er mer utsatt for delvis Koalesens, delvis på grunn av tykkelsen på filmen, fravær av eksisterende bølger (som finnes i regionen kapillær bølge), og til slutt redusert smøring styrken forårsaket av flyt resirkulering i Denne regionen. Disse kumulativt føre til generering av litt lengre kolonner enn de som er produsert på andre områder.
Med en økning i væsken filmen strømningshastighet (dvs. film Re); virkninger på kapillære bølgene ofte resultert i en mild glidende av drop av kapillær bølgen uten fusjonen (se figur 5a-5 h). Dette rullende slipp (figur 5 d-5f) senere så klatrer på-kommer ensom hump (figur 5 g og 5 h) der opplever en delvis Koalesens (vises ikke). Men endres utfallet av innvirkning på regionen flat filmen fra en jevn delvis Koalesens å favorisere spretter modus. Når det gjelder virkningen på kapillære bølgen førte økningen i filmen Re til nærmere toppet kapillær bølger som fungerte som en "pute" som drop "Red", derav den observerte glidende av dråper. På minst Re, er en veldig rask klemming av drop vanligvis observert på flat filmen regionen (størrelse 90% av den første slipp), med dette slipp opplever noen "dans" modus før senere fletter og resulterer i en normal delvis Koalesens. Dette er imidlertid ikke observert på andre områder av kontrollert filmen.
Med en økning i slipp vid, ble det observert at kolonnen høyde økt både på regionen flat film og bølge hump men redusert på kapillære bølge regionen.
Til slutt, med en økning i slipp størrelse, lengre og bredere kolonner ble observert på flat filmen regionen, som igjen ga opphav til en større satellitt nedgang. Men på bølge hump, var dette ikke observert, i stedet en overgang til totalt Koalesens ble observert. På kapillære bølgen, økningen i slipp størrelse førte til redusert skyve drop og en overgang til delvis Koalesens. Det største miste, men gitt nesten umiddelbart til totalt Koalesens. Et sammendrag av disse resultatene er presentert i tabell 1.
Utover slippverktøy hastighet 1,70 ± 0,03 m/s, en splash utfall er observert i alle tre områder på filmen overflaten (figur 6). Men selv om en lignende konsekvenser er også observert i dette regimet, slående forskjeller er observert i morfologi av kronen dannet-its høyde, diameter, veggtykkelse, vinkel, koaleserende tid samt tall og størrelsesDistribusjon av utløst sekundær dråper.
I 'bølge hump regionen' er crown strukturen forskjellig fra i 'kapillær' og 'flat filmen regioner', som formen er mer vanlig. Det har også en tykkere crown vegg og krone er høyere enn observert i 'kapillær' og "flat film områder". Det er også færre sekundære dråper ut fra sin rim med kronene dannet i andre regioner. Til slutt, lengre Koalesens tid er observert før kronen er feid bort av flytende filmen.
I 'kapillær bølge' og "flat filmen regionen" er også kronene dannet ganske forskjellige basert på en rekke funksjoner. Det ble først observert at bak høyden på kronen påvirkes av kapillær knollene samt flyt tilbakeføring dynamikken i denne 'kapillær bølge regionen', dermed forårsaker kronen dannet vises mer oppreist. Denne flyten reverseringen fører til transport av flytende massen bakover som forsterker bakre høyden på kronen dannet. Dette, imidlertid ikke observert på flat filmene: kronen beveges naturlig i flytende flyt retning og vippes ytterligere med økende Re. Dette tilt kan observeres i både oppstrøms og nedstrøms endene av kronen. Sammenligning på kapillære bølger, som filmen Re økes, synes på baksiden av kronen å bli mer "stående" på en måte helt motsatt som observert på flat filmer. Crown høyden på flat filmen er imidlertid høyere enn på kapillære bølger på grunn av isolasjon av underlaget. Det er også en rask utbruddet av sekundær slippverktøy utstøting fra crown felgen, på kapillære bølger med som flat filmer. Til slutt, flere sekundære dråper er kastet på kanten av kronen på flat filmer enn på kapillære bølger.
Verdslige utviklingen av kronen viser en svak avhengighet av kronen diameter på film Re i alle regioner i flyten. Svakeste avhengigheten Re er observert i "bølge hump regionen". I 'flat filmen regionen' er crown høyden observert å øke med Re som forventet, siden større Re er knyttet til tykkere filmer. Graden av kronen helling mot flytretningen er også høyere med økende Re "flat film" og "wave hump" regioner. Denne effekten, men synes å være mindre uttalt i "kapillær bølge regionen".
I "bølge hump regionen", det er færre sekundære dråper utløst med økende Re. Det synes å være en litt svak avhengighet crown høyde Re, mens det er en nedgang i kronen koaleserende tiden med økende Re, som er et resultat av økte hastigheten på flytende filmen som effekten oppstår, som raskt feier koaleserende kronen fra opprinnelige virkningen punkt. Det er også en endring i helling av kronen i 'bølge hump regionen' avhengig av konkurransen mellom treghet av påvirker fall og rennende filmen. På lavere Re, kronen ansikter nedstrøms retning, mens på høyere Re verdier, det står overfor den oppstrøms (figur 7). Denne trenden er ikke observert i 'kapillær bølge' og "flat film områder".
I 'kapillær bølge regionen' er flere sekundære dråper observert på lavere Re. Det er også en økning i total crown høyden med Re, og på lavere Reslippverktøy utstøting er hovedsakelig mot streamwise retning (med kronen felgen høyere foran enn bak og også skråstilte mer mot den streamwise retning). Høyden blir mer symmetrisk på høyere Re, som antas å være som følge av balansere effekten av høyere knollene som kapillær bølger har på sitt bak, og dermed balansering av kronen rim høyden på baksiden.
Med drop Weber effekt, kan det være observert at kronen diameter øker med en større hastighet med økende vid; den største hastigheten er forbundet med "bølge hump regionen". Ytterligere forskjeller observert i antall og størrelsesDistribusjon av utløst sekundære slippverktøyet i dette spruting regimet er vist i Figur 8 og figur 9, henholdsvis. Et sammendrag av disse resultatene er presentert i tabell 2.
Figur 1: eksperimentell riggen. (A) skjematisk fremstilling av eksperimentelle riggen, bestående av fallende filmen enheten for flyten av væsken filmen på en tilbøyelig barometer substrate; en film kontrollenhet (bestående av en magnetventil koblet over en ikke-låsingen relé via oppkjøpet datakort og en funksjonsgenerator som sender automatisert signal kontrollere åpning og lukking av magnetventil); en Sprøytepumpe brukes til generering av dråper av kontrollert størrelser fra beregnet høyder over filmen overflaten, og et høyhastighets kamera for digital bildebehandling. Innhentet resultatene analyseres på maskinen. Gjengitt fra Adebayo & Matar 201715 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. (B) en malerisk utsikt av riggen. (C) - (D) Pictorial beskrivelse av belysning arrangement. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: effekten av filmen kontroll bølge utviklingen dynamics på en flytende væske film. (A) Shadowgraph bilde av filmen overflaten før filmen kontroll. Filmen er preget av tilstedeværelsen av naturlig utvikling bølger som er Stokastisk i naturen og viser uregelmessige spatiotemporal dynamics. (B) Shadowgraph bilde av filmen overflaten etter tvinge. Bølgene er spatiotemporally vanlig og forutsigbar, rendering bidrag fra romlig struktur å slippe innvirkning lett å studere. (C) ensom bølge formasjon på en kontrollert flytende væske film fremheve de ulike regionene på filmen overflaten nemlig kapillærer bølge, flat film og bølge pukkel regioner. (D) Magnified visning av en entall bølge struktur viser flyt profilen i hver sone. Gjengitt fra Adebayo & Matar 201715 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: romlig oppløsning på 5000 fps. Med et substrat bøyningsvinkelen av 15˚, er romlig oppløsning beregnet til 67.5 µm/bildepunkt og 46,6 µm/bildepunkt i streamwise og spanwise retninger, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: effekten av filmen kontroll på utfallet av lav treghet drops påvirker ulike regioner i en kontrollert flytende film, kontrast mot en ukontrollert film. Slippverktøy fall-høyden er 0.005 m, slipp er 3,3 mm, filmen hastighet er 5 x 10-3 m3/s, tvinge frekvens er 2 Hz, tilsvarer filmen Re 166.5, slippe vi 3.134 og Oh 0.0021. Slipp tilnærminger filmen overflaten (a) og på kontakt (b), utløser drenering av mellomliggende luft laget mellom det og filmen. Disse resultatene i deformasjon slipp figuren og en radial spredning av kapillær krusninger på filmen, startet på treffpunktet (c-d). Når luften laget er sprukket, er en fusjon av flytende drop med væsken filmen observert (e) og en vertikale veksten av sylindriske flytende kolonne (i en delvis/totalt Koalesens sak). Dette etterfølges av en forkant av kapillær bølger på kolonnen dannet, som elongates det. Endelig er en klype-off av en satellitt drop observert (g-h), i en delvis Koalesens sak, som er av mindre størrelse til første mor drop. En gjentakelse av Koalesens prosessen er sett også (jeg-j). Kvalitative forskjeller er sett i resultatene observert (enten spretter eller skyve eller delvis Koalesens) og tilstedeværelsen av en kaskade; mens kvantitative forskjellene er observert i snev av tiden, størrelsen (høyde og bredde) i kolonnen flytende dannet, størrelsen på utløst satellitt slipp, og kaskade poeng. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: dråpe skyve på kapillære bølge regionen en kontrollert flytende film. Slippverktøy diameter er 2,3 mm, med et fall høyde på 0.008 m mens filmen flyten er 10 x 10-3 m3/s, svarer til Oh = 0.0024, vid = 5.014 og film Re = 333, henholdsvis. Tvinge ble gjennomført på 2 Hz. (a) tilnærming. (b) kontakt. (c-f) Rullende fall. (g-h) Klatring møtende ensom hump. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: effekten av filmen kontroll spruting fenomener på de ulike regionene innvirkning på en kontrollert flytende film, kontrast mot en ukontrollert film. Slippverktøy diameter er 3,3 mm, med et fall høyde på 0,25 m mens filmen flyten er 5 x 10-3 m3/s, svarer til Oh = 0.0021, vid = 224.8 og film Re = 166.5, henholdsvis. Tvinge ble gjennomført på 2 Hz. Det flytende miste tilnærminger filmen overflaten (a) og umiddelbart etter kontakt (b) utvikler en ejecta ark som vokser i en krone (c). Voksende krone (d-e) senere avlinger til en Rayleigh-platået ustabilitet som fører til utløsing av finere dråper fra sin rim (f-j). Kronen kollapser etterpå og coalesces med filmen (k), som transporteres bort av møtende flyten. De unike forskjellene i innvirkning utfallet på de enkelte regionene innvirkning er sett i størrelsen (høyde og diameter) av kronen dannet, nummer og størrelsesDistribusjon utløst sekundære dråper, graden av kronen tilt, veggtykkelse, kronen mot retning og endelig Koalesens tid. Gjengitt fra Adebayo & Matar 201715 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7: effekten av filmen Reynolds og slipp Weber på crown forplantning i "bølge hump regionen". Dråpestørrelse er 3,3 mm, svarer til Oh = 0.0021 og fall fall høyder var varierte fra 0,20 til 0,35 m (tilsvarende til vid = 179.8-314.7) mens Re er i størrelsesorden 55,5 til 333. De røde diamantene skildrer resultater med kronen mot nedstrøms retning mens blå diamanter viser oppstrøms mot kronen resultater. Crown tilbøyelighet påvirkes av konkurransen mellom treghet av påvirker fall og rennende filmen. Spesielt på lav Re, kronen er tilbøyelig mot streamwise retning men som treghet av flytende filmen får betydning, retning endres og ansikter oppstrøms. Denne crown-oppstrøms-vendte retningen opprettholdes utover Re verdien ca 250 uansett omfanget av vid. Gjengitt fra Adebayo & Matar 201715 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8: variant av antall sekundære dråper ut fra crown rim i annen innvirkning regioner i en kontrollert film (nemlig 'kapillær bølge', 'flat film' og 'wave hump' regioner, vises fra venstre til høyre, henholdsvis) kontrast mot en ukontrollert filmen. Dråpestørrelse er 3,3 mm tilsvarer Oh = 0.0021 og slipp høyder ha vært varierte fra 0,20 til 0,35, resulterer i innvirkning hastigheter innen 1.981-2.621 m/s (tilsvarende til vid = 179.8-314.7). Rød rektanglene skildre slipp fall høyde på 0,35 m, grønne diamanter 0,3 m, blå sirkler 0,25 m og orange ruter 0,2 m, henholdsvis. Antall utløst sekundære drops økning med fall vi i alle regioner mens en ujevn trend er observert med film Re økning: på bølge hump, er det en nedgang i antall utløst sekundære dråper på både kapillær wave og flat film områder, det er en svak økning. En dukkert er lagt merke til rundt filmen Re 166.5 for kapillær wave, som oppstår som følge av konkurransen mellom tangentiell fart av drop og filmen. Uforholdsmessig trenden på ukontrollert filmene antas å oppstår fordi bølgene på filmen overflaten Stokastisk natur. Gjengitt fra Adebayo & Matar 201715 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9: effekt effekt-regionen på størrelsesDistribusjon av utløst sekundære slippverktøy på en kontrollert film kontrast mot en ukontrollert film. Slipp størrelsen er 3,3 mm film infusjonshastigheten er 5 x 10-3 m3/s tilsvarer en film Re 166.5 og slipp Oh 0.0021. Drop's fall høyder er 0,2, 0,25, 0,3 og 0,35 m tilsvarer vid 179.8, 224.8, 269.8 og 314.7 henholdsvis. På kapillære bølgen, formen på fordelingen er i stor grad uendret Weber nummer økning men en merkbar økning i antall dråper området 0.5 til 1.0 mm. På flat filmene, men størrelsesDistribusjon er observert for å variere fra 0 til 2.0 mm, og en endring er observert mot 0 til 0,5 mm størrelse dråpene som Weber er økt. Denne økningen i antall små drops utløst klart skiller regionen flat film fra andre regioner. På bølge hump viser størrelsesDistribusjon at store dråper i området (1.0 til 2.0 mm) er kastet for Weber færrest undersøkt. I motsetning til ovenfor viser slipp størrelse distribusjonene tilknyttet en ukontrollert film ikke en discernibly forskjellige figur på grunn av Stokastisk natur bølger på filmer. Gjengitt fra Adebayo & Matar 201715 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Parametere | Kapillær bølge regionen | Flat filmen regionen | Wave hump regionen |
| Apex høyden på flytende kolonne | Kort | Middels | Høy |
| Størrelsen på satellitt slipp | Liten | Gjennomsnitt | Store |
| Gjennomgripende eksistens | Sjeldne | ja | Ingen |
| Effekten av Re øke | Skyve fenomener | Hoppende fenomener | Overgang til totalt Koalesens |
| Effekten av vi øke | Nedgang i kolonnen høyde | Økning i kolonnen høyde | Økning i kolonnen høyde |
| Effekten av å redusere | Redusert slipp skyve | Lengre og bredere kolonner, større satellitt drops | Overgang til totalt Koalesens |
Tabell 1. Parametrisk forskjeller på lav-treghet slippverktøy påvirke dynamikken på ulike regioner i en kontrollert flytende film.
| Parametere | Kapillær bølge regionen | Flat filmen regionen | Wave hump regionen |
| Kronen figuren | Uregelmessig | Uregelmessig | Vanlig |
| Crown høyde | Høy | Høyere | Høyeste |
| Crown veggtykkelse | Tynn | Tynnere | Tykke |
| Antall sekundære dråper | Mer | De fleste | Liten/ingen |
| Crown vinkel | Reduserer med film Re | Øker med film Re | Reverserer utover Re 250 |
| Koaleserende tid | Rask | Langsom | Mer forsinket |
| Effekten av filmen Re øke | Crown blir mer "stående" | Økning i kronen høyde, brattere crown-helling i filmen strømningsretning, | Nedgang i antall sekundære dråper, endring i kronen mot retning utover Re 250 |
| Effekten av slipp Weber økning | Tidligere utbruddet og økning i antall sekundære dråper og økning i kronen diameter. | Økning av sekundær drops krone høyde og kronen diameter; redusere størrelsen på sekundære drops | Økning av sekundær drops, crown høyde, crown diameter, Koalesens tid og endring i kronen mot retning. |
| Effekten av drop å nedgang | Økning i kronen diameter og høyde | Økning i kronen diameter og høyde | Økning i kronen diameter og høyde |
Tabell 2. Parametrisk forskjeller på høy-treghet slippverktøy påvirke dynamikken på ulike regioner i en kontrollert flytende film (spruting regimet).
Discussion
I denne delen gir vi noen tips nødvendig for å sikre kvalitative resultater oppnås fra protokollen. Først glass underlaget der væsken filmen renn må holdes helt skitt-fri å sikre egenskapene til væsken filmen holdes kompromissløs. Dette er oppnåelig ved regelmessig renhold (sannsynligvis bruke et egnet rengjøringsmiddel og tørkes av over en skuff å unngå oppløsning i systemet). På samme måte bør det være en utskiftning av hele test-væsken etter noen eksperimentelle runder, garantere nøyaktige resultater.
Dernest væske-fordelingen kammeret må være godt meshed og også holdt lufttett å sikre utstrømmende væsken filmen er ensartet. Dette kan gjøres ved manuelt siphoning luften ut av boksen distribusjon før hvert eksperiment. Bruk av mikrometer-trinn på filmen innløpet er også anbefalt å angi gap-høyden på filmen innløpet til nøyaktige filmen tykkelsen spådd av Nusselt estimatet av filmen på tilsvarende Reynolds nummeret. Dette hindrer et hydraulisk hopp eller tilbakestrømming på innløpet.
Driften av magnetventil må alltid være sjekket og konstatert riktig. Dette er fordi en passende pulsering flyt er nødvendig for å sikre produksjon av tvungen bølgene. Dette kan kontrolleres fra vanlige klikkelyd magnetventil samt en oppfattet pulsering langs tilkobling rørene. Flytende infusjonshastigheten i sprøytepumpen angis også forsiktig å sikre dråpene er kastet i en dryppende måte, unngå noen pre akselerasjon før den falt.
Riktig kalibrering av høyhastighets kameraet må sikres for å få svært nøyaktige resultater. Blenderåpningen må også være nøye valgt vurderer parametere som dybdeskarphet, eksponeringstid og generelle bildelysstyrke. For kameraet utløse under filmopptak, er brukernes likeledes krevde å anslå hvor mange rammer skal registreres før utløser. Dette kan variere med enkeltpersoner, avhengig slipp effekt, derfor flere prøve tester for å praktisere anbefales før selve målinger. Likeledes må lyskilden være riktig arrangert og godt diffust å redusere skyggene i bildet.
Det er viktig å merke og husk at hovedfokus i studiet er bidrag av bølger til innvirkning dynamikken i fallende dråper, dermed dannelsen av vanlige bølge strukturer er avgjørende for en nøyaktig studie av underliggende fysikk. I scenarier der bølge strukturer er observert raskt overgangen til tredimensjonale strukturer, anbefales det at bøyningsvinkelen substrat være redusert14,19 til rette for en tregere overgang av bølge strukturer .
En begrensning av teknikken er observert i fravær av et måleinstrument angir faktisk øyeblikkelig film tykkelsen på hvert område av virkningen. Dette ville ha gitt tilleggsinformasjon på de samlede observerte fenomenene.
Oppsummert kan du fremgangsmåten i denne rapporten også brukes til å studere enkel bølge utviklingen dynamikk, mens høyhastighets tenkelig systemet beskrevet kan brukes på mange forskningsfelt med rask dynamikk som flytende slipp oppløsningen21, 22/coalescence23, granulerte jets24, etc. hvor viktig fenomener er observert på en mikro tidsskala.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å fortolle.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble sponset av teknologi utvikling oljefondet (PTDF, Nigeria) og Engineering og Physical Sciences Research Council, Storbritannia, gjennom programmet Grant MEMPHIS (bevilgning nummer EP/K003976/1). Forfatterne også pris fruktbart diskusjoner med Dr. Zhizhao Che.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Function generator | GW INSTEK | AFG 2005 Series, Digital. Geo0852266 | Produces a varied type of wave signals, ranging from sine, square to saw-tooth wave at different frequencies (0.1 Hz - 5 MHz). |
| Syringe pump | Braintree Scientific Inc. | Bs-8000 /225540 | |
| Solenoid valve | SMC-VXD | 2142A. 0AE-5001 |
Series-pilot-operated-two-port |
| Relay | Takamisara | A5W-K. 154424C-03L |
|
| Electric pump | Clarke SP | SPE1200SS 1 | |
| Flow meter | RS Component | CYNERGY3 UF25B 14011600040110 | Measurement range: 0.2-25 L/min |
| Micrometer step | RS Component | Micrometer Head | 0.01 mm/0 -13 mm |
| High-speed camera | Olympus | I-SPEED 3. | Capable of recording at up to 100, 000 frames per second. |
| Light source | TLC Electrical supplies | IP54 -black | Double enclosed halogen floodlight. Rating 500 W. |
| Light diffusor | OptiGraphix | DFPMET | 250 μm thickness |
| Glass substrate | Instrument Glasses Ltd | Soda Lime Float Glass; 570 mm x 300 mm x 4 mm | Flatness tolerance 0.02/0.04. |
| Macro-lenses | (a) Nikon (b) Sigma |
(a) AF-Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 D (b) 105 mm f/2.8 Macro-Ex |
|
| Test-liquid | De-ionized water from the Imperial College Analytical Lab. | Standard solution (AnalaR) |
References
- Yarin, A. L. Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing…. Annual Review of Fluid Mechanics. 38, 159-192 (2006).
- Rein, M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces. Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).
- Liang, G., Mudawar, I. Review of mass and momentum interactions during drop impact on a liquid film. International Journal of Heat and Mass Transfer. 101, 577-599 (2016).
- Dam, D. B., Le Clerc, C. Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate. Physics of Fluids. 16 (9), 3403-3414 (2004).
- Worthington, A. M. A study of splashes. , Longmans, Green, and Company. (1908).
- Edgerton, H. E., Killian, J. R. Flash! Seeing the unseen by ultra-high-speed photography. , CT Branford Co. (1954).
- Josserand, C., Thoroddsen, S. T. Drop impact on a solid surface. Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).
- Kolinski, J. M., Mahadevan, L., Rubinstein, S. M. Lift-off instability during the impact of a drop on a solid surface. Physical Review Letters. 112 (13), 134501 (2014).
- Hobbs, P. V., Osheroff, T. Splashing of drops on shallow liquids. Science. 158 (3805), 1184-1186 (1967).
- Adomeit, P., Renz, U. Hydrodynamics of three-dimensional waves in laminar falling films. International Journal of Multiphase Flow. 26 (7), 1183-1208 (2000).
- Blanchette, F., Bigioni, T. P. Dynamics of drop coalescence at fluid interfaces. Journal of Fluid Mechanics. 620, 333-352 (2009).
- Wang, A. B., Chen, C. C. Splashing impact of a single drop onto very thin liquid films. Physics of Fluids. 12 (9), 2155-2158 (2000).
- Che, Z., Deygas, A., Matar, O. K. Impact of droplets on inclined flowing liquid films. Physical Review E. 92 (2), 023032 (2015).
- Craster, R. V., Matar, O. K. Dynamics and stability of thin liquid films. Reviews of Modern Physics. 81 (3), 1131 (2009).
- Adebayo, I. T., Matar, O. K. Droplet impact on flowing liquid films with inlet forcing: the splashing regime. Soft Matter. 13 (41), 7473-7485 (2017).
- Chang, H. H., Demekhin, E. A. Complex wave dynamics on thin films. 14, Elsevier. (2002).
- Liu, J., Gollub, J. P. Solitary wave dynamics of film flows. Physics of Fluids. 6 (5), 1702-1712 (1994).
- Benjamin, T. B. Wave formation in laminar flow down an inclined plane. Journal of Fluid Mechanics. 2 (6), 554-573 (1957).
- Kalliadasis, S., Ruyer-Quil, C., Scheid, B., Velarde, M. G. Falling liquid films. 176, Springer Science & Business Media. (2011).
- Adebayo, I., Xie, Z., Che, Z., Matar, O. K. Doubly excited pulse waves on thin liquid films flowing down an inclined plane: An experimental and numerical study. Physical Review E. 96 (1), 013118 (2017).
- Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact. Physical Review Letters. 103, 124501 (2009).
- Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 4389-4394 (2012).
- Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Physical Review Letters. 103, 114501 (2011).
- Royer, J. R., et al. Birth and growth of a granular jet. Physical Review E. 78, 011305 (2008).
