Summary
Een protocol bij het bestuderen van de bijdragen van de golven voor druppel effect dynamiek op stromende vloeistof films wordt gepresenteerd.
Abstract
Druppel effect is een zeer gemeenschappelijk fenomeen in de natuur en trekt de aandacht door zijn esthetische fascinatie en brede toepassingen. Eerdere studies op stromende vloeistof films hebben verzuimd de bijdragen van ruimtelijke structuren van golven aan de uitkomst van de gevolgen, terwijl dit heeft onlangs aangetoond dat een aanzienlijke invloed hebben op de druppel effect dynamiek. In dit verslag duidelijk naar voren komt een stapsgewijze procedure voor het onderzoek naar het effect van periodieke inlaat dwingen van een stromende vloeistof film leidt tot de productie van spatiotemporally regelmatige Golf structuren op druppel effect dynamiek. Een functiegenerator in verband met een magneetventiel wordt gebruikt voor het opwekken van deze structuren spatiotemporally regelmatige Golf op het oppervlak van de film terwijl de dynamiek van de gevolgen van uniform en middelgrote druppels zijn vastgelegd met een high-speed camera. Drie verschillende regio's worden vervolgens bestudeerd; namelijk de capillaire Golf regio voorafgaand aan de grote golf piek, de platte film-regio en de Golf bult regio. De gevolgen van belangrijke dimensieloze grootheden zoals film Reynolds, drop Weber en Ohnesorge nummers geparametriseerde door de film debiet, daling snelheid en druppel grootte worden ook onderzocht. Onze resultaten tonen aan interessante, tot dusver onontdekte dynamics teweeggebracht door deze applicatie film inlaat af te dwingen van de vloeiende film voor zowel lage als hoge traagheid druppels.
Introduction
Druppel effect is een zeer gemeenschappelijk fenomeen in de natuur en trekt de aandacht van ieder nieuwsgierig waarnemer1. Het vormt een actief onderzoeksgebied als gevolg van de talrijke toepassingen met inbegrip van de spray-koeling, brand-onderdrukking, inkjet-afdrukken, spray-coating, afzetting van soldeer bultjes op printplaten, het ontwerp van motoren met inwendige verbranding, oppervlak reinigen en cel-afdrukken2. De toepassing ervan strekt zich ook uit tot landbouw, bijvoorbeeld, beregening, irrigatie en gewas spuiten3,4. Baanbrekende werk dateert van de 19e eeuw, met het werk van Worthington5, terwijl grote vooruitgang slechts onlangs door de opkomst van high-speed imaging6 geboekt. Sindsdien zijn verschillende studies verricht; met behulp van verschillende soorten gevolgen oppervlakken variërend van vaste stoffen7,8, ondiepe,9 en diep vloeibare zwembaden10,11 tot en met dunne lagen12,13.
Echter, ondanks de grote hoeveelheid onderzoek over druppel effect op vloeibare oppervlakken (dat wil zeggen, ondiepe en diepe zwembaden en rustige films), invloed op vloeiende dunne vloeibare lagen heeft niet zoveel aandacht gekregen. Daarnaast hebben studies tot nu toe, de bijdragen van ruimtelijke structuren van golven tot druppel effect dynamiek verwaarloosd.
In dit verslag stellen we een experimentele procedure om te onderzoeken het proces invloed druppel op vloeiende films waarvan dynamiek worden beïnvloed door de inlaat-dwingt van het vloeibare debiet; hieronder verwijzen we naar hen als 'gecontroleerd' films. Wij vinden dat deze hebben talrijke toepassingen in multifase industrieën (bijvoorbeeld in de koeling torens, in kolommen distillatie, en ook in het ringvormige flow regime waargenomen in twee fasen stromen), vooral naarmate film controle is een belangrijke stap in de intensivering van de warmte- en massaoverdracht in vele proces industrieën14. De geïnteresseerde lezer wordt verwezen naar onze eerdere werk15 voor meer informatie over de resultaten van onze onderzoeksinspanningen op dit.
Deze toepassing van frequentie trillingen van het debiet van de inlaat resulteert in de vorming van gewone golven op het oppervlak van de film. We richten op de eenzame Golf-familie, die in wezen wordt gekenmerkt door smalle pieken wijd gescheiden en wordt voorafgegaan door een reeks van front-running capillaire golven16,17,18. We bestuderen de uitkomst van de effecten die zijn gekoppeld aan de drie hoofdonderdelen van de eenzame golf structuur: de 'platte film', 'de bult van de Golf' en front-running 'capillaire wave' regio's. We ook contrast deze resultaten met degene die gekoppeld zijn met ongecontroleerde vloeiende films. Onze resultaten tonen aan dat de stochastische aard van Golf verschijning op de ongecontroleerde film, sterk van invloed is op de uitkomst van druppel effect, met de afzonderlijke regio's van de gecontroleerde film toont ook nieuwe mechanismen, die wij hebben gedetailleerde zowel kwalitatief en kwantitatief.
In de eerdere papier15, studeerde volgens dezelfde procedure, we het effect van film controle op druppel effect dynamiek in het spetterend regime. De verkregen resultaten toonden zowel kwantitatieve als kwalitatieve verschillen in de morfologie van de kroon (hoogte, diameter, wanddikte, tilt hoek en richting) alsmede de verdeling van het aantal en de grootte van de uitgeworpen secundaire druppels.
In dit verslag beschrijven we de ontworpen set-up om te begrijpen de kritieke rol van deze ruimtelijke structuren in de druppel effect dynamiek en ook aanwezig beknopte details van onze bevindingen niet alleen in het spetterend regime, maar ook voor andere uitkomsten van druppel gevolgen (namelijk bouncing, glijden, gedeeltelijke/totaal samenvoeging). Door het volgen van het standaardprotocol die hieronder worden beschreven, kan het effect van film besturingselement op de druppel effect dynamiek op een reproduceerbare wijze worden bestudeerd.
Protocol
1. experimentele Rig Setup
Opmerking: Zie Figuur 1.
-
Dalende film eenheid
- Begin met het reinigen van het oppervlak van het substraat (glas) met een schone, zachte doek. Waarborgen geen vuil is het oppervlak, die de vloeibare eigenschappen zou veranderen.
- De spil van het glas-substraat ingesteld op de gewenste Knikhoek. Een Knikhoek, β, van 15˚ werd gebruikt in dit werk.
- Zet de elektrische pomp en een normale vloeibare stroom op het oppervlak van de film verder schoon het glas-substraat te zorgen. Voor dit werk werd de test vloeistof gedeïoniseerd water.
- Zorg ervoor het gehele oppervlak van het substraat wordt bevochtigd.
- Meet de stroomsnelheid van de film met behulp van de flowmeter. Voor dit werk, was het debiet varieerde tussen de 1.667 x 10-3 en 10 x 10-3 m3/s met de bijbehorende film Reynolds getal, Re = ρq/wµ, variërend tussen 55,5 en 333. w is de dalende film breedte 0,30 m.
- Geleidelijk aanpassen de kleppen op de verbinding van de stroom met het verkrijgen van het gewenste debiet op het glas-substraat.
- Pas de set micrometer stap bij de inlaat van de film de overeenkomende Nusselt film dikte waarde voor het gekozen debiet, om te voorkomen dat een hydraulische springen bij de inlaat van de film of een terugvoer van lucht in de kamer van de distributie.
- Handmatig sifon alle lucht in de kamer van de distributie te verkrijgen van een uniforme stroming stroomafwaarts op het oppervlak van de film.
-
Film regeleenheid
- Zorg ervoor dat de functiegenerator is verbonden met de magneetklep via een niet-arrêtering relais via een data-acquisitie kaart (DAC).
- Schakel de solenoïde ventiel voor zowel de functiegenerator.
- Stel de functiegenerator op de gewenste dwingen frequentie. In dit werk, werden frequenties van 2 en 3 Hz gebruikt.
- Kies het gewenste wave signaal (sinusgolf, zaagtandgolf, blokgolf, enz.). In dit werk werd een sinusvormige signaal gebruikt. Figuur 2A en 2B Toon het contrast tussen een ongecontroleerde film en een gecontroleerde film.
-
Druppel-generatiesysteem
- Een schone kunststof buis hechten aan een water gevulde spuit.
- Plaats de injectiespuit in de droplet-generator.
- Brengt een spuit-naald van een gekozen omvang (afhankelijk van de gewenste druppel-diameter) aan het andere uiteinde van de plastic buizen. De druppel diameter bereik studeerde was tussen 0.0023 te 0.0044 m.
- Pas de valhoogte van de druppel boven het oppervlak van de film. In dit werk, was de daling van de valhoogte varieerde van 0,005 tot 0,45 m, geven botssnelheid tussen 0,30 ± 0,02 - 2.96 ± 0.06 m/s.
- Ook het punt van de streamwise invloed van de daling van de inlaat van de film instellen. Dit werd ingesteld op 0,3 m in dit werk om ervoor te zorgen dat de golven zijn goed gevormde voorafgaand aan de gevolgen.
- Stel een gewenste debiet voor de spuitpomp.
- Aanpassen van het debiet te bereiken een druppel generatie frequentie groter is dan de golflengte van de golven gevormd op het oppervlak van de film; om ervoor te zorgen dat druppels openluchtrecreatieactiviteiten achtereenvolgens in verschillende regio's van de gecontroleerde film. Zie figuur 2C; met een uitbreiding van een enkelvoud golfvorm in figuur 2D om te laten zien van de verschillen in het profiel van de stroom onder elke regio19,20.
-
Snelle beeldvorming setup
- Plaats de camera op een statief staan (of een andere geschikte regeling).
- Selecteer de macro-lens met gewenste brandpuntsafstand en sluit deze aan op de camera.
- Zet de high-speed camera en zorgen voor directe focus op het oppervlak van de film. Hiermee lijnt u de camera op 7˚ en 12˚ horizontale en verticale afwijkingen respectievelijk aan de oppervlakte van de film. Dit geeft een uitstekende zijaanzicht beeld van de gevolgen-proces, wat resulteert in een resolutie van 67.5 µm/pixel en 46.6 µm/pixel in de richtingen zoals streamwise en spanwise, respectievelijk.
- Pas de focus van de camera-lens (bij de grootste opening) met behulp van een kalibratie-item geplaatst precies op de druppel effect ter plaatse.
- Als u een scherpe focus hebt verkregen, verminderen het diafragma om ervoor te zorgen dat slechts een kleine hoeveelheid licht binnenkomt de camera.
- Stel de gewenste framesnelheid, resolutie en sluitertijd van de high-speed camera. Een framesnelheid van 5000 bps, 800 x 600 resolutie, diafragma grootte 1/16 en een sluitertijd van 1 µs werden gebruikt in dit werk.
- Plaats de lichte diffusor voor de lichtbron, zoals aangegeven in Figuur 1 c, om ervoor te zorgen dat het licht gelijkmatig wordt verspreid in de hele regio imaging.
- Zet de lichtbron te bevestigen de uniforme verspreiding van licht over het imaginggebied.
2. kalibratie
Opmerking: Zie Figuur 3.
- Plaats een liniaal in de stroomrichting van de film (precies op de plek van impact) en het verkrijgen van momentopnamen van de gemeten punten op het oppervlak van de film.
- Herhaal 2.1 maar met de liniaal in de spanwise richting.
- Gebruik het bovenstaande te verkrijgen van de ruimtelijke resoluties over het oppervlak van de film.
3. video-opname en Data-acquisitie
- Zodra de stroom van de film is gevestigd op het tuig, start de spuitpomp en observeren van de impact van de druipende druppels op het oppervlak van de film.
- Start van de functiegenerator en observeren van de productie van spatiotemporally regelmatige golven op het oppervlak van de film.
- Zorgen voor opeenvolgende druppels zijn invloed op de verschillende regio's van het oppervlak van de gecontroleerde film.
- Observeren de post triggering frame nummer en zet deze voor ongeveer de helft van de lengte van de video de gevolgen adequaat te vangen.
- Zet de lichtbron en trigger het vastleggen van het beeld zodra een invloed gebeurt.
- Stroom uit de lichtbron zodra vastleggen van het beeld voltooid is om oververhitting van de vloeibare film.
- Visueel analyseren de verkregen momentopname op het computerscherm. Controleren om te controleren of het effect is opgetreden op een van de vlakke film, capillaire Golf, of Golf bult regio's.
- Trim bepaald de video aan het gedeelte waarin de effect-proces en het frame bereik opslaan in een video/beeldformaat.
- Herhaal 3.5-3.8 en record individuele gevolgen voor alle regio's op het oppervlak van de film, viz. eenzame bult, capillaire golven en vlakke film.
4. beeld na verwerking en analyse
- Plaats een liniaal in het gezichtsveld en de ruimtelijke resolutie berekenen door te tellen hoeveel pixels passen over 1 cm. de kalibratie-afbeelding gebruiken, krijgen een schaalfactor voor meting van de dimensie van de afbeelding.
- Vergelijk de resultaten van het proces van de impact op de gevolgen van de verschillende regio's van de snelle beelden. Controleer opmerkelijke verschillen.
- Met behulp van een geschikte MATLAB-beeldverwerking routine, het meten van de functies van de kenmerken van het product van het proces van het effect: namelijk de spatten modus meten de kroon, hoogte, diameter, wanddikte, overhellen hoek, kroon-gerichte richting, aantal en de grootte distributie van uitgeworpen secundaire druppels.
- Vergelijkbare kwantitatieve analyses uitvoeren als 4.3 hierboven voor de effecten van lage-Weber. Graaf de snuifje-off tijd van satelliet drops vanaf de tijd-framed beelden en meten van de apex lengte en breedte van de kolom gevormd in gedeeltelijke samenvoeging voordat snuifje-off van secundaire druppels. De grootte van uitgeworpen secundaire druppels te meten. Het aantal trapsgewijze in een herhaalde snuifje-off proces.
- Observeer alle kwalitatieve verschillen per regio.
Representative Results
In feite werden twee categorieën van effecten bestudeerd; de eerste was voor druppels met lage traagheid (dat wil zeggen, Weber nummer, drop (Wed= ρdu2/σ) variërend van 3.1 tot 24,0 terwijl de tweede was voor druppels met hoge traagheid (i.e.,Wed 94-539) wat resulteert in een splash-resultaat. Dezelfde experimentele procedure werd echter gevolgd voor beide onderzoeken. Andere verwante dimensieloze hoeveelheden gebruikt in de studie omvatten de film Reynolds getal (Re = ρq/wµ, variërend tussen 55,5 en 333), de film nummer Weber (We = ρhNuN2 /Σ, variërend tussen 0.1061 en 2.1024), de daling van de getal van Ohnesorge (Oh µ= / (ρσd)1/2, variërend tussen 0,0018 en 0.0025) en het nummer van de Kapitza (Ka = σρ1/3/g 1/3 µ 4/3, waarin werd berekend als 3363 voor water). De laagdikte Nusselt (hN = [(3µ2Re)/(ρ2gsinβ)]1/3) werd gevonden aan bereik uit 4.034 x 10-4 tot 7.328 x 10-4 m, terwijl de Nusselt film snelheid (uN = ρgsinβhN2/3µ) bleek te bereik van 0.1376 tot 0.4545 m/s. Voor alle bovenstaande vergelijkingen is q het debiet van de film, variërend tussen 0.001667 en 0,01 m3/s; Β is het substraat Knikhoek, vastgesteld op 15˚ naar de horizontale; µ en ρ zijn de viscositeit en dichtheid, respectievelijk water geschat op 0,001 Pa s en 1000 kg/m3; Σ is de oppervlaktespanning kracht (0.072 N/m); en g is de zwaartekracht (9.81 m/s2).
In de effecten van lage inertie, de trends waargenomen, hoewel een beetje vergelijkbaar (Figuur 4), tentoongesteld een aantal duidelijk spottable verschillen. Eerst, was over het algemeen opgemerkt dat de omvang van de daling van de satelliet geproduceerd op de Golf bult regio altijd groter ten van andere regio's van impact opzichte was. Achteraf, het tegenovergestelde waar bleek op de capillaire Golf regio. De satelliet-druppels zijn altijd zeer klein. Dit komt doordat de radiale golf geproduceerd door de daling van de invloed wordt onderdrukt door de bestaande capillaire rimpelingen. Dientengevolge, wordt verder golfvoortplanting naar verticaal elongate de daling geremd, wat resulteert in het drop-verloor zijn potentieel om een voldoende lange verticale kolom, daarmee leidt het uitwerpen van alleen kleine secundaire druppels uit de slanke kolommen gevormd. Er werd ook opgemerkt dat de neiging van een cascade veel werd teruggebracht op de bult van de Golf in vergelijking met andere regio's. In alle gevallen onderzocht, het product van gedeeltelijke samenvoeging, nauwelijks een andere gedeeltelijke samenvoeging, terwijl op een vlakke film ervaren, omhoog tot drie tot vier in acht worden genomen. De hoogte van de kolom werd ook waargenomen worden hoger en meest schuin in de stroomrichting op de Golf bult regio in vergelijking met andere regio's.
Op de vlakke film-regio in vergelijking met andere regio's van de gevolgen is er een toename van de neiging van een stuiterende resultaat. Dit gebeurt als gevolg van de sterke smering kracht uitgeoefend op de druppel door deze dunne platte film, die de afvoer/dunner worden van de tussenliggende laag lucht tussen de daling en de film vertraagt, waardoor de fusie. Deze vervolgens resulteert in de waargenomen daling vervorming, evenals de uiteindelijke lanceerraket. Ter vergelijking, effecten op de bult van de Golf zijn meer vatbaar voor gedeeltelijke samenvoeging, deels te wijten aan de dikte van de film, het ontbreken van reeds bestaande golven (zoals gevonden in de capillaire Golf regio), en ten slotte de verminderde smering kracht veroorzaakt door circulatie van de stroom in deze regio. Deze cumulatief resulteren in het genereren van meer kolommen dan die welke op andere regio's.
Met een toename van de vloeibare film debiet (dat wil zeggen, film Re); effecten op de capillaire golven vaak resulteerde in een zachte glijden van de daling van de capillaire Golf zonder fusie (Zie figuur 5a-5 h). Deze rollende daling (Figuur 5 d-5f) later dan klimt de tegemoetkomende eenzame bult (Figuur 5 g en 5 nonies) waar het ervaringen een gedeeltelijke samenvoeging (niet afgebeeld). Echter het resultaat van het effect op de vlakke film regio gewijzigd van een gestage gedeeltelijke samenvoeging om de gunst van de stuiterende modus. In het geval van de impact op de capillaire golf leidde de toename van de film Re tot nauwer piek capillaire golven die dan gehandeld als een "kussen" waarop de daling van de "rode", vandaar de waargenomen glijdende van de druppels. De minste Re, wordt een zeer snelle knijpen off van drop meestal waargenomen op de vlakke film regio (van grootte 90% van de aanvankelijke daling), met deze daling ervaren sommige "dancing" modus voordat het later wordt samengevoegd en in een normale gedeeltelijke samenvoeging resulteert. Dit is, echter niet waargenomen op andere regio's van de gecontroleerde film.
Met een toename van de daling van de Wed, werd naar voren gebracht dat de hoogte van de kolom zowel op de vlakke film-regio toegenomen en de bult van de Golf maar op de capillaire Golf regio verminderd.
Tot slot, met een toename van de omvang van de daling, langer en breder kolommen werden waargenomen op de vlakke film-regio, die op zijn beurt aanleiding gaf tot een grotere daling van de satelliet. Echter, op de Golf-bult, dit werd niet waargenomen, in plaats daarvan een overgang naar totale samenvoeging werd waargenomen. Op de capillaire Golf, de toename van de grootte van de druppel geleid tot verminderde glijden van de daling en een overgang naar gedeeltelijke samenvoeging. De grootste daling, echter bijna onmiddellijk opgeleverd aan totale samenvoeging. Een samenvatting van deze resultaten is opgenomen in tabel 1.
Buiten druppel snelheid 1,70 ± 0,03 m/s, een plons resultaat wordt waargenomen in de drie gewesten op het oppervlak van de film (Figuur 6). Echter al een vergelijkbare uitslag ook in dit regime waargenomen wordt, opvallende verschillen zijn waargenomen in de morfologie van kroon gevormd-zijn hoogte, diameter, wanddikte, tilt hoek, tijd aanwezig, alsmede aantal en grootte-distributie van uitgeworpen secundaire druppels.
In de 'wave bult regio"verschilt de kroon structuur van die in de 'capillaire' en 'plat film regio's ', zoals zijn vorm regelmatiger is. Het bezit ook een dikkere wand van de kroon en de hoogte van de kroon is hoger dan die in de 'capillaire' en 'flat film regio's '. Er zijn ook minder secundaire druppels uitgeworpen uit de velg ten opzichte van de kronen gevormd in de andere regio's. Tot slot wordt een langere tijd van de samenvoeging waargenomen voordat de kroon is weggevaagd door de vloeiende film.
In de 'capillaire wave' en de 'platte film regio' zijn de kronen gevormd ook heel verschillend op basis van een aantal functies. Eerst, werd naar voren gebracht dat de achterste hoogte van de kroon wordt beïnvloed door de capillaire bulten, alsmede de stroom omkering dynamiek in deze 'capillaire Golf regio', vandaar veroorzaakt de kroon gevormd om te verschijnen meer rechtop. Deze omkering van de stroom resulteert in het vervoer van vloeibare massa achteruit die de achterste hoogte van de kroon gevormd verhoogt. Dit is echter niet waargenomen op de platte films: de kroon wordt natuurlijk gekanteld in de vloeibare stroomrichting en kantelt nog steeds Re. Deze tilt kan worden waargenomen in de upstream- en downstream weerszijden van de kroon. In vergelijking, op de capillaire golven, als de film die re wordt verhoogd, lijkt de achterkant van de kroon te worden meer 'rechtop' op een wijze die volkomen tegengesteld aan die waargenomen op vlakke films. De hoogte van de kroon op de vlakke film is echter hoger dan die op de capillaire golven als gevolg van de opsluiting van het substraat. Er is ook een snellere begin van secundaire druppel uitwerpen uit de rand van de kroon, op de capillaire golven in vergelijking met die over vlakke films. Tot slot, meer secundaire druppels zijn uitgeworpen op de rand van de kroon op vlakke films dan die op capillaire golven.
Temporele evolutie van de kroon toont een zwakke afhankelijkheid van de kroon-diameter op film Re in alle regio's van de stroom. De zwakste afhankelijkheid van Re wordt waargenomen in de 'wave bult regio". In de 'platte film regio", wordt de hoogte van de kroon waargenomen om te verhogen met Re als verwacht, aangezien grotere Re worden geassocieerd met dikkere films. De mate van kroon neiging tot de stroomrichting is ook hoger met toenemende Re in de 'platte film', en 'Golf hump' regio's; Dit effect, lijkt echter dat minder uitgesproken in de 'capillaire Golf regio".
In de 'wave bult regio"zijn er minder secundaire druppels uitgeworpen met toenemende Re. Er lijkt te zijn van een enigszins zwakke afhankelijkheid van de kroon hoogte Re, terwijl er een afname in de kroon coalescing tijd met toenemende Re, die het resultaat van de hogere snelheid van de vloeiende film waarop het effect optreedt is, die snel veegt de coalescing kroon uit de buurt van het oorspronkelijke punt van impact. Er is ook een verandering van de helling van de kroon in de 'wave bult regio"afhankelijk van de concurrentie tussen de traagheid van de daling van de invloed en die van de vloeiende film. Bij lagere Re, de kroon wordt geconfronteerd met de stroomafwaartse richting, terwijl bij de hogere Re waardes, ligt tegenover de upstream (Figuur 7). Deze trend wordt niet waargenomen in de "capillaire wave" en "platte film regions".
In de 'capillaire Golf regio", worden meer secundaire druppels waargenomen bij lagere Re. Er is ook een toename van de totale hoogte van de kroon met Re, en op lagere Re, druppel uitwerpen is vooral richting de streamwise (met de rand van de kroon hoger vooraan dan aan de achterzijde en ook gekanteld meer naar de streamwise richting). De hoogte wordt meer symmetrische op hogere Re, die wordt verondersteld te worden als gevolg van het evenwicht effect van de hogere bulten die capillaire golven bezitten aan hun achterkant, waardoor Netwerktaakverdeling-off de kroon rim hoogte aan de achterkant.
Met de daling van de Weber effect, het kan worden waargenomen dat de diameter van de kroon met een grotere snelheid met toenemende verhoogt Wed; de grootste tarief is gekoppeld aan de 'Golf bult regio'. Verdere verschillen waargenomen in het nummer en de verdeling van de grootte van de uitgeworpen secundaire druppel in dit spetterend regime worden weergegeven in Figuur 8 en Figuur 9, respectievelijk. Een samenvatting van deze resultaten wordt gepresenteerd in tabel 2.
Figuur 1: Experimental tuig. (A) schematische weergave van de experimentele rig, bestaande uit de dalende film-eenheid voor de stroom van vloeibare film over een geneigd glas-substraat; een film regeleenheid (bestaande uit een magneetventiel verbonden via een niet-arrêtering relais via data-acquisitie kaart en een functiegenerator die geautomatiseerde signaal controle van het openen en sluiten van de magneetklep); een spuitpomp gebruikt voor de generatie van druppels van gecontroleerde grootte van berekende hoogten boven het oppervlak van de film, en een high-speed camera voor digitale beeldbewerking. De verkregen resultaten worden geanalyseerd op het computersysteem. Van Adebayo & Matar 201715 gereproduceerd met toestemming van de Royal Society of Chemistry. (B) een picturale beeld van het tuig. (C) - (D) picturale beschrijving van verlichting regeling. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: Effect van film controle op Golf evolutie dynamiek op een stromende vloeistof film. (A) Shadowgraph afbeelding van film oppervlak voorafgaand aan de controle van de film. De film wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van natuurlijk evoluerende golven die stochastische in de natuur en onregelmatige Spatio dynamiek vertonen. (B) Shadowgraph afbeelding van het oppervlak van de film na het dwingen. De golven zijn spatiotemporally regelmatige en voorspelbare, rendering bijdragen van de ruimtelijke structuur om druppel effect gemakkelijk te bestuderen. (C) eenzame Golf vorming op een gecontroleerde stromende vloeistof film markeren van de verschillende regio's film oppervlakte namelijk capillaire Golf, vlakke film en Golf bult regio's. (D) Magnified weergave van de structuur van een enkelvoud Golf het flow-profiel in elke zone te tonen. Van Adebayo & Matar 201715 gereproduceerd met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: ruimtelijke resolutie bij 5000 fps. Met een substraat Knikhoek van 15˚, wordt de ruimtelijke resolutie berekend als 67,5 µm/pixel en 46.6 µm/pixel in de richtingen zoals streamwise en spanwise, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: Effect van film controle over het resultaat van de lage traagheid druppels invloed van verschillende regio's van een gecontroleerde vloeiende film, contrasteerde tegen een ongecontroleerde film. De druppel-valhoogte is 0,005 m, druppel grootte is 3,3 mm, filmgevoeligheid is 5 x 10-3 m3/s, dwingen frequentie is 2 Hz, overeenkomt met de film Re 166,5, dalen We 3.134 en Oh 0.0021. De daling van de benaderingen van het oppervlak van de film (a) en triggers op contact (b), de afvoer van de tussenliggende laag lucht tussen het en de film. Deze resultaten in de vervorming van de druppel vorm en een radiale verspreiding van capillaire rimpelingen op het oppervlak van de film, in gang gezet op effect punt (c-d). Zodra de laag lucht is gescheurd, is een fusie van de vloeibare drop met de vloeibare film waargenomen (e) en een verticale groei van cilindrische vloeibare kolom (in het geval van een gedeeltelijke/totaal samenvoeging). Dit wordt gevolgd door een aanloop van capillaire golven op de kolom gevormd, die het kieuwopeningenvorm. Tot slot, een snuifje-off van een daling van de satelliet is (g-h), waargenomen in het geval van een gedeeltelijke samenvoeging, die van kleinere omvang tot de eerste moeder druppel is. Een herhaling van het proces van samenvoeging wordt ook gezien (i-j). Kwalitatieve verschillen zijn te zien in de resultaten waargenomen (stuiterende of schuivende of gedeeltelijke samenvoeging) en de aanwezigheid van een cascade; terwijl kwantitatieve verschillen zijn waargenomen in de tijd van de snuifje-off, het formaat (hoogte en breedte) van de vloeibare kolom gevormd, grootte van de daling van de uitgeworpen satelliet, en de trapsgewijze punten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: druppel glijden op de capillaire Golf regio van een gecontroleerde vloeiende film. De diameter van de druppel is 2,3 mm, met een valhoogte van 0.008 m terwijl de film stroom tarief is 10 x 10-3 m3/s, overeenkomt met Oh = 0,0024, Wed = 5.014, en film Re = 333, respectievelijk. Dwingen werd uitgevoerd op 2 Hz. (a) aanpak. (b) contact. (c-f) Rollen drop. (g-h) Klimmen de tegemoetkomende eenzame bult. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: Effect van film besturingselement op spatten verschijnselen aan de verschillende regio's van invloed op een gecontroleerde vloeiende film, contrasteerde tegen een ongecontroleerde film. De druppel-diameter bedraagt 3,3 mm, met een valhoogte van 0,25 m terwijl de film stroom tarief is 5 x 10-3 m3/s, overeenkomt met Oh = 0.0021, Wed = 224.8, en film Re = 166,5, respectievelijk. Dwingen werd uitgevoerd met 2 Hz. De daling van de vloeibare benadert het oppervlak film (a) en onmiddellijk op contact (b), ontwikkelt een ejecta blad dat in een kroon (c groeit). De groeiende kroon (d-e) later opbrengsten tot een Rayleigh-Plateau instabiliteit die tot het uitwerpen van kleinere druppeltjes van de velg (f-j leidt). De kroon wordt daarna samengevouwen en coalesces met de film (k), door het tegemoetkomende verkeer weg werd vervoerd. De unieke verschillen in de uitkomst van de invloed op de individuele regio's van invloed zijn gezien het formaat (hoogte en diameter) van de kroon gevormde, nummer en grootteverdeling van uitgeworpen secundaire druppels, de mate van kroon tilt, wanddikte, kroon geconfronteerd met richting en samenvoeging van de laatste tijd. Van Adebayo & Matar 201715 gereproduceerd met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7: Effect van film Reynolds en neerzetten Weber over kroon teeltmateriaal in de 'wave bult regio". De grootte van de druppel is 3,3 mm, overeenkomt met Oh = 0.0021 en de daling van de hoogten van de val was variëren van 0.20 tot 0.35 m (correspondeert met de Wed = 179,8-314.7) terwijl Re in het bereik van 55,5 tot en met 333 is. De rode diamanten verbeelden uitkomsten met de tegenover de stroomafwaartse richting terwijl de blauwe diamanten Toon resultaten van de upstream-gerichte kroon kroon. De helling van de kroon wordt beïnvloed door de concurrentie tussen de traagheid van de daling van de invloed en die van de vloeiende film. In het bijzonder bij lage Re, de kroon is geneigd de streamwise richting maar de traagheid van de vloeiende film aan belang wint, de richting verandert en gezichten stroomopwaarts. Deze kroon-upstream-gerichte richting wordt onderhouden dan een Re -waarde van ongeveer 250 ongeacht de omvang van wijd. Van Adebayo & Matar 201715 gereproduceerd met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8: variatie van het aantal secundaire druppels uitgeworpen uit de rand van de kroon in de gevolgen van de verschillende regio's van een gecontroleerde film (viz 'capillaire wave', 'platte film' en 'wave bult' regio's weergegeven van links naar rechts, respectievelijk) contrasterende tegen een ongecontroleerde film. De grootte van de druppel is 3,3 mm overeenkomt met Oh = 0.0021, en de daling van de hoogten hebben zijn variëren van 0.20 tot 0.35, resulterend in impact snelheden binnen het bereik van de 1.981-2.621 m/s (die overeenkomt met wijd = 179,8-314.7). De rode rechthoeken verbeelden val valhoogte van 0,35 m, de groene Diamanten 0.3 m, de blauwe cirkels 0,25 m en de oranje vierkanten 0,2 m, respectievelijk. Het aantal uitgeworpen secundaire druppels verhoging met drop We in alle regio's met een ongelijke trend wordt waargenomen met film Re -verhoging: op de Golf-bult, is er een daling in het aantal uitgeworpen secundaire druppels terwijl op zowel de capillaire Golf en de flat film van de regio's, er is een lichte stijging. Een duik is opgemerkt rond film Re 166,5 voor de capillaire Golf, die als gevolg van de concurrentie tussen de tangentiële snelheden van de druppel en die van de film optreedt. De onevenredige trend op de ongecontroleerde films wordt verondersteld te ontstaan als gevolg van de stochastische aard van de golven op het oppervlak van de film. Van Adebayo & Matar 201715 gereproduceerd met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 9: Effect van effect regio op de grootteverdeling van uitgeworpen secundaire druppel op een gecontroleerde film contrast tegen een ongecontroleerde film. De grootte van de druppel is 3,3 mm terwijl het debiet van de film is 5 x 10-3 m3/s overeenkomt met een film Re van 166,5 en neerzetten Oh 0.0021. De daling van de daling van de hoogten zijn 0,2, 0,25, 0,3 en 0.35 m overeenkomt met wijd 179,8, 224.8, 269.8 en 314.7 respectievelijk. Op de capillaire Golf, de vorm van de distributie grotendeels ongewijzigd met Weber nummer verhoging, maar een merkbare toename van het aantal druppels van het bereik is 0.5 tot 1.0 mm. Op de vlakke films, echter de grootteverdeling wordt waargenomen om te variëren van 0 tot 2.0 mm, en een verschuiving naar de 0 tot 0,5 mm formaat druppels wordt waargenomen, zoals het aantal Weber wordt verhoogd. Deze toename van het aantal kleine druppels uitgeworpen duidelijk onderscheidt de vlakke film regio uit de andere regio's. Op de Golf-bult toont de grootteverdeling dat grote druppels in het bereik (1.0 naar 2.0 mm) zelfs voor de kleinste getal van Weber onderzocht worden uitgeworpen. In tegenstelling tot het bovenstaande vertonen de druppel grootte distributies die is gekoppeld aan een ongecontroleerde film geen een discernibly afzonderlijke shape vanwege de stochastische aard van golven aan films. Van Adebayo & Matar 201715 gereproduceerd met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
| Parameters | Capillaire Golf regio | Vlakke film regio | Wave bult regio |
| Hoogte van de Apex van vloeibare kolom | Korte | Medium | Hoge |
| Grootte van de daling van de satelliet | Kleine | Gemiddelde | Grote |
| Cascade bestaan | Zeldzame | Ja | Geen |
| Effect van Re toenemen | Glijdende verschijnselen | Stuiterende verschijnselen | Overgang naar totale samenvoeging |
| Effect van verhoging van wij | Afname van de hoogte van de kolom | Stijging van de hoogte van de kolom | Stijging van de hoogte van de kolom |
| Effect van Oh verlagen | Beperkte daling glijden | Langer en breder kolommen, grotere satelliet druppels | Overgang naar totale samenvoeging |
Tabel 1. Parametrische verschillen op lage-traagheid druppel effect dynamiek op verschillende regio's van een gecontroleerde vloeiende film.
| Parameters | Capillaire Golf regio | Vlakke film regio | Wave bult regio |
| Vorm van de kroon | Onregelmatige | Onregelmatige | Regelmatige |
| Hoogte van de kroon | Hoge | Hogere | Hoogste |
| Wanddikte van de kroon | Dunne | Dunner | Dikke |
| Aantal secundaire druppels | Meer | De meeste | Weinig/geen |
| Kroon tilt hoek | Vermindert met film Re | Verhogingen met film Re | Keert na Re 250 |
| Tijd aanwezig | Snelle | Vertragen | Meer vertraagd |
| Effect van film Re toenemen | Kroon wordt meer "rechtop" | Stijging van de kroon hoogte, steiler kroon-helling in de stroomrichting van de film, | Afname van het aantal secundaire druppels, wijzigen in crown-gerichte richting buiten Re 250 |
| Effect van daling van de verhoging van de Weber | Eerdere begin en toename aantal secundaire druppels en toename van de diameter van de kroon. | Toename aantal secundaire druppels, kroon hoogte en diameter van de kroon; afname van de grootte van secundaire druppels | Toename aantal secundaire druppels kroon hoogte, diameter van de kroon, samenvoeging en tijd verandering in de richting van de kroon-onder ogen ziet. |
| Effect van drop Oh daling | Stijging van de kroon diameter en hoogte | Stijging van de kroon diameter en hoogte | Stijging van de kroon diameter en hoogte |
Tabel 2. Parametrische verschillen op hoge-traagheid druppel effect dynamiek op verschillende regio's van een gecontroleerde vloeiende film (het spetterend regime).
Discussion
In deze sectie geven we een paar tips nodig om kwalitatieve resultaten worden verkregen van het protocol. Ten eerste, het glas-substraat waarop de vloeibare film stromen moet volledig vuil-vrij om de eigenschappen van de vloeibare film compromisloze bewaard. Dit is haalbaar door regelmatig schoonmaken (waarschijnlijk met behulp van een geschikt wasmiddel, en afgeveegd over een lade te vermijden ontbinding in het systeem). Ook moet er een regelmatige vervanging van de hele test-vloeistof na enkele experimentele rondes, te garanderen nauwkeurige resultaten.
Ten tweede, de vloeistof-verdeling-kamer moet goed ingeschakelde en ook gehouden om ervoor te zorgen de uitstromende vloeistof film uniforme luchtdichte. Dit kan gebeuren door de lucht uit de doos distributie voor elk experiment handmatig te spoelen. Het gebruik van micrometer-stappen bij de inlaat van de film is ook geadviseerd om de kloof-hoogte instellen bij de inlaat van de film naar de exacte laagdikte voorspeld door de Nusselt raming van de stroom van de film op de overeenkomstige Reynolds-nummer. Hierdoor zal een hydraulische sprong of terugvoer bij de inlaat.
De werking van de magneetklep moet ook altijd worden gecontroleerd en goed vastgesteld. Dit komt omdat een passende pulsatie van de stroom nodig is om de productie van de gedwongen golven. Dit kan worden gecontroleerd van de regelmatige klikkend geluid van de magneetklep evenals een waargenomen pulsatie langs de verbinding buizen. Het vloeibare debiet in de spuitpomp moet ook zorgvuldig worden ingesteld om ervoor te zorgen dat de druppels in een druipende wijze, het vermijden van eventuele pre versnelling voordat hij zijn weggestuurd.
Juiste kalibratie van de high-speed camera moet worden gewaarborgd om zeer nauwkeurige resultaten te verkrijgen. De grootte van het diafragma moet ook zorgvuldig keuze rekening worden parameters, zoals de diepte van veld, de blootstellingstijd en de algehele helderheid van de afbeelding. Voor de camera triggering tijdens video-opname, zijn gebruikers ook verplicht om te schatten hoeveel frames moeten worden geregistreerd voordat triggering. Dit kan variëren met individuen, afhankelijk van de inwerktijd van de daling, vandaar, verschillende proef tests voor het beoefenen van vóór de feitelijke metingen worden aanbevolen. De lichtbron moet ook goed ingerichte en goed diffuus om te minimaliseren van schaduwen in de afbeelding.
Het is belangrijk om de opmerking en vergeet niet dat de belangrijkste focus van de studie de bijdragen van de golven op de dynamiek van de gevolgen van de vallende druppels is, vandaar de vorming van regelmatige Golf structuren is essentieel voor een nauwkeurig onderzoek van de onderliggende fysica. In scenario's waar de Golf structuren te snel overgang naar driedimensionale structuren worden waargenomen, is het aangeraden dat de Knikhoek substraat verlaagd14,,19 worden ter vergemakkelijking van een langzamer overgang van de structuren van de Golf .
Een beperking van de techniek wordt waargenomen in de afwezigheid van een meettoestel opgeven van de werkelijke momentane laagdikte op elk gebied van impact. Dit zou hebben verschaft aanvullende gegevens over de totale waargenomen verschijnselen.
Kortom, kan de procedure die in dit verslag ook worden gebruikt om te studeren van de dynamiek van de evolutie van de eenvoudige Golf, terwijl de snelle imaging systeem beschreven kan worden toegepast op vele onderzoeksterreinen met een snelle dynamiek zoals vloeibare drop uiteenvallen21, 22/coalescence23, granulaire jets24, enz waar belangrijke fenomenen worden waargenomen bij een micro tijdschaal.
Disclosures
De auteurs hebben niets te verklaren.
Acknowledgments
Dit werk werd gesponsord door het Fonds van de ontwikkeling van Petroleum-technologie, (PTDF, Nigeria) en de Engineering en Physical Sciences Research Council, Verenigd Koninkrijk, via het programma subsidie MEMPHIS (subsidie nummer EP/K003976/1). De auteurs waarderen ook vruchtbare gesprekken met 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).
