Summary
Un protocole pour étudier la contribution des vagues à la dynamique effet gouttelette sur films de liquides qui coule est présenté.
Abstract
Impact de gouttelettes est un phénomène très fréquent dans la nature et attire l’attention grâce à sa fascination esthétique et les applications de grande envergure. Des études antérieures sur les films de liquides qui coule ont négligé les contributions des structures spatiales des ondes à l’issue de l’impact, alors que cela a été récemment montré d’avoir une influence significative sur la dynamique d’impact de chute. Dans ce rapport, nous décrivons une procédure étape par étape pour étudier l’effet du forçage d’entrée périodique d’un film liquid qui coule, menant à la production de structures vague spatio-temporelle régulière sur la dynamique des effets goutte. Un générateur de fonctions dans le cadre d’une électrovanne est utilisé pour exciter ces structures vague spatio-temporelle régulier sur la surface du film, tandis que la dynamique de l’impact des gouttelettes de taille uniforme est capturée à l’aide d’une caméra à grande vitesse. Trois régions distinctes sont ensuite étudiées ; à savoir la région de vague capillaire précédant le pic de la grande vague, la région de film plat et la région de bosse de vague. Les effets d’importantes quantités sans dimension tel que le film Reynolds, drop Weber et nombre d’Ohnesorge paramétrées par le débit de film, vitesse de chute et la taille des gouttes est également examinées. Nos résultats montrent intéressants, jusqu’alors inconnues de la dynamique provoquée par cette application du film d’arrivée forçage du film pour les deux gouttes de la basse et à haute inertie qui coule.
Introduction
Impact de gouttelettes est un phénomène très fréquent dans la nature et attire l’attention de n’importe quel observateur curieux1. Elle constitue un domaine de recherche actif en raison de ses nombreuses applications, y compris les refroidissement par spray-lutte contre les incendies, jet d’encre-impression, revêtement par pulvérisation, dépôts de bosses de soudure sur les cartes de circuits imprimés, la conception des moteurs à combustion interne nettoyage des surfaces et l’impression-cell2. Son application s’étend aussi à l’agriculture, par exemple, arrosage, irrigation et récoltes pulvérisation3,4. Pionnier travail remonte à la 19ème siècle, avec les travaux de Worthington5, tandis que des progrès majeurs n’ont été faits récemment en raison de l’émergence de l' imagerie haute vitesse6. Depuis lors, plusieurs études ont été réalisées ; à l’aide de différents types de surfaces d’impact allant de solides7,8, peu profonds,9 et des piscines profondes liquide10,11 à films minces12,13.
Cependant, malgré le volume important de recherche sur l’impact des gouttelettes sur une surface liquide (c'est-à-dire, les piscines superficielles et profondes et films quiescentes), impact sur l’écoulement liquides minces n’a pas reçu autant d’attention. En outre, jusqu'à présent, des études ont négligé les contributions des structures spatiales des vagues à la dynamique d’impact de gouttelettes.
Dans ce rapport, nous présentons un procédé expérimental détaillé afin d’étudier le processus d’impact de gouttelettes fluides films dont les dynamiques sont influencés par l’inlet-forçage du débit liquide ; ci-dessous, nous nous référons à eux comme des films « contrôlée ». Nous trouvons que ceux-ci ont de nombreuses applications en industries multiphases (p. ex., en refroidissement tours, dans les colonnes de distillation et aussi dans le régime d’écoulement annulaire observés dans les écoulements diphasiques), surtout que le film contrôle est devenu une étape importante dans la intensification de la chaleur et transfert de masse dans de nombreux processus industries14. Le lecteur intéressé est appelé à nos précédents travaux15 pour plus de détails sur les résultats de nos efforts de recherche là-dessus.
Cette application des oscillations de fréquence du débit d’entrée conduit à la formation des vagues régulières sur la surface du film. Nous nous concentrons sur la famille de l’onde solitaire, qui se caractérise essentiellement par des pics étroits très espacées et est précédée par une série de passe-passe ondes capillaires16,17,18. Nous étudions les résultats des impacts associés avec les trois parties principales de la structure de l’onde solitaire : les « film plat » et « bosse vague » régions « vague capillaire » de passe-passe. Nous comparons également ces résultats avec ceux qui sont associés aux films écoulement incontrôlés. Nos résultats montrent que la nature stochastique d’apparence vague sur le film incontrôlé affecte sensiblement le résultat de l’impact de la baisse, avec les régions distinctes du film contrôlé présentaient également des mécanismes nouveaux, que nous avons détaillé les deux qualitativement et quantitativement.
Dans le précédent document de15, en utilisant la même procédure, nous avons étudié l’effet du contrôle de film sur la dynamique effet gouttelettes dans le régime de l’éclaboussement. Les résultats obtenus ont montré des différences quantitatives et qualitatives dans la morphologie de la Couronne (hauteur, diamètre, épaisseur de paroi, angle d’inclinaison et direction) ainsi que la distribution en nombre et taille des gouttelettes secondaires éjectés.
Dans ce rapport, nous décrivons l’installation conçue pour comprendre le rôle essentiel joué par ces structures spatiales dans la gouttelette impact dynamique et aussi les présents détails succincts de nos conclusions, non seulement dans le régime d’éclaboussures, mais aussi pour les autres résultats de gouttelettes impact (àsavoir rebondir, glisser, la coalescence partielle/totale). En suivant le protocole standard décrit ci-dessous, l’effet du contrôle de film sur la dynamique d’impact de gouttelettes peut être étudié de façon reproductible.
Protocol
1. experimental Rig Setup
Remarque : Voir la Figure 1.
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Unité de film tombant
- Commencez par nettoyer la surface du substrat (verre) avec un chiffon propre et doux. Ne respecter aucune saleté est sa surface, ce qui modifierait les propriétés liquides.
- La valeur du pivot du substrat verre l’angle d’inclinaison désiré. Un angle β, de 15 ° d’inclinaison a été utilisé dans ce travail.
- Mettre en marche la pompe électrique et assurer un flux liquid normal sur la surface du film pour nettoyer également le substrat de verre. Pour ce travail, le liquide d’essai était de l’eau désionisée.
- S’assurer que la totalité de la surface du substrat est mouillé.
- Mesure du débit de film à l’aide du débitmètre. Pour ce travail, le débit a été varié de 1.667 x 10-3 et 10 x 10-3 m3/s avec le film correspondant nombre de Reynolds, Re = ρq/wµ, allant de 55,5 à 333. w est la largeur du film tombant, 0,30 m.
- Ajustez graduellement les vannes sur le raccordement de débit pour obtenir le débit désiré sur le substrat de verre.
- Ajuster l’ensemble de l’étape de micromètre à l’entrée du film à la valeur d’épaisseur de film Nusselt correspondante pour le débit choisi, afin d’éviter un ressaut hydraulique à l’entrée de film ou un refoulement d’air dans la chambre de distribution.
- Manuellement siphonner tout l’air dans la chambre de distribution afin d’obtenir un écoulement uniforme en aval sur la surface du film.
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Unité de commande de film
- Assurez-vous que l’appareil est connecté à l’électrovanne au moyen d’un relais sans verrouillage via une carte d’acquisition de données (DAC).
- Basculez sur l’électrovanne et le générateur de fonctions.
- Régler le générateur de fonction sur la fréquence souhaitée de forçage. Dans cet ouvrage, fréquences de 2 et 3 Hz ont été utilisées.
- Choisir le signal d’onde désirée (onde sinusoïdale, dents de scie, carré, etc.). Dans cet ouvrage, un signal sinusoïdal a été utilisé. Figure 2 a et 2 b montrent le contraste entre un film non contrôlé et un film contrôlé.
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Système de génération de gouttelettes
- Fixer un tube de plastique propre à une seringue remplie d’eau.
- Insérer la seringue dans le générateur de gouttelettes.
- Apposer une aiguille de seringue, d’une taille choisie (selon le diamètre désiré gouttelettes) sur l’autre extrémité de la tubulure en plastique. La gamme de diamètres de gouttelettes étudiée était entre 0,0023 à 0,0044 m.
- Ajuster la hauteur de chute de la chute au-dessus de la surface du film. Dans ce travail, hauteur de chute de la baisse variait de 0,005 à 0,45 m, donnant la vitesse d’impact entre 0,30 ± 0,02 - 2.96 ± 0,06 m/s.
- De même, la valeur du point d’impact longitudinale de la goutte de l’entrée du cinéma. Cela a été mis à 0,3 m dans ce travail pour s’assurer que les vagues sont bien formés avant l’impact.
- Fixer un taux de débit souhaité pour le pousse-seringue.
- Régler le débit pour atteindre une fréquence de génération des gouttelettes supérieure à la longueur d’onde des vagues formées sur la surface du film ; pour assurer les gouttes successivement empiètent sur des régions différentes du film contrôlé. Voir la Figure 2; avec un élargissement d’une forme d’onde du singulier en Figure 2D pour montrer les différences dans le profil d’écoulement sous chaque région19,20.
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Programme d’installation d’imagerie haute vitesse
- Placez la caméra sur un trépied (ou tout autre arrangement approprié).
- Sélectionner l’objectif macro avec une longueur de focale désirée et raccorder à l’appareil photo.
- Allumez la caméra à grande vitesse et assurer une mise au point directe sur la surface du film. Aligner la caméra à 7 ° et 12˚ des écarts horizontaux et verticaux respectivement à la surface du film. Cela donne une excellente image de vue latérale du processus d’impact, ce qui entraîne une résolution de 67,5 µm/pixel et 46,6 µm/pixel dans les directions longitudinale et envergure, respectivement.
- Ajuster le focus de la caméra-lens (à la plus grande ouverture) utilisant un élément de calibrage placé exactement sur l’impact de gouttelettes spot.
- Dès qu’une mise au point nette a été obtenu, réduire l’ouverture pour s’assurer seulement une petite quantité de la lumière entre dans l’appareil.
- Définissez la cadence désirée, une résolution et la vitesse d’obturation de la caméra à grande vitesse. Une cadence de 5000 IPS, 800 x 600 résolution, ouverture taille 1/16, et une vitesse d’obturation de 1 µs ont été utilisées dans ce travail.
- Placer le diffuseur en face de la source de lumière, comme illustré à la Figure 1, pour s’assurer que la lumière est diffusée uniformément dans toute la région d’imagerie.
- Allumez la source de lumière afin de confirmer la diffusion uniforme de la lumière au-dessus de la zone d’imagerie.
2. étalonnage
Remarque : Voir la Figure 3.
- Mettre une règle dans le sens d’écoulement de film (exactement à l’endroit de l’impact) et obtenir des instantanés des points mesurés sur la surface du film.
- Répéter mais 2.1 avec le souverain dans le sens d’envergure.
- Utilisez ce qui précède pour obtenir les résolutions spatiales sur la surface du film.
3. enregistrement vidéo et Acquisition de données
- Une fois que le débit de film est mis en place sur le banc, démarrer la pompe seringue et observer l’impact des gouttes dégoulinant sur la surface du film.
- Démarrer le générateur de fonctions et d’observer la production d’ondes spatio-temporelle réguliers sur la surface du film.
- S’assurer que les baisses successives ont un impact sur les différentes régions de la surface du film contrôlé.
- Observer le déclenchement après nombre de cadrer et définir cette approximativement la moitié de la longueur vidéo pour capturer correctement l’impact.
- Allumez la source lumineuse et la capture d’image une fois que se produit un effet de détente.
- Mise hors tension de la source de lumière une fois que la capture d’image est terminée pour éviter la surchauffe du film liquid.
- Visuellement, analyser l’instantané obtenu sur l’écran de l’ordinateur. Vérifiez si l’impact a eu lieu sur l’un des film plat, vague capillaire, ou vague bosse régions.
- Réduire la vidéo pour la partie affichage du processus et enregistrer la plage d’images dans un format de vidéo/image.
- Répétez l’impact individuel 3,5-3,8 et enregistrement sur toutes les régions sur la surface du film, viz. bosse solitaire, ondes capillaires et film plat.
4. analyse et post-traitement de l’image
- Placez une règle dans le champ de vision et calculer la résolution spatiale en comptant le nombre de pixels monter sur 1 cm. en utilisant l’image de calibration, obtenir un facteur d’échelle de mesure dimension de l’image.
- Comparer les résultats de la procédure des répercussions sur les régions de l’impact différent à partir des images à grande vitesse. Vérifiez les différences notables.
- À l’aide d’une routine de traitement d’image adaptée MATLAB, mesurer les caractéristiques de caractéristiques du produit du processus d’impact : c'est-à-dire en mode éclaboussant, mesurer la hauteur du houppier, diamètre, épaisseur de paroi, angle d’inclinaison, Couronne face vers, nombre et taille répartition des gouttelettes secondaires éjectés.
- Réaliser des analyses quantitatives semblables comme 4.3 ci-dessus pour les impacts de la basse-Weber. Décompte le temps de pincement du satellite tombe à partir des images de temps-encadré et mesure la longueur de l’apex et la largeur de la colonne formée en coalescence partielle avant pincement de gouttes secondaires. Mesurer la taille des gouttes secondaires éjectés. Compter le nombre de cascade dans un processus répété de pincement.
- Observez toutes les différences qualitatives dans chaque région.
Representative Results
Essentiellement, deux catégories d’effets ont été étudiés ; le premier était pour drops à faible inertie (c.-à-d., goutte nombre de Weber, (nousd= ρdu2/σ) allant de 3.1 à 24,0 tandis que la seconde était pour drops à haute inertie (i.e.,Wed 94 à 539) ce qui entraîne un résultat splash. La même procédure expérimentale, cependant, a été suivie pour les deux études. Autres grandeurs connexes utilisés dans l’étude incluent le film nombre de Reynolds (Re = ρq/wµ, allant de 55,5 à 333), le film nombre de Weber (nous = ρhNuN2 /Σ, comprise entre 0.1061 et 2.1024), la baisse du nombre d’Ohnesorge (Oh = µ/ (ρσd)1/2, allant de 0,0018 à 0,0025) et le nombre de Kapitza (Ka = σρ1/3/g 1/3 µ 4/3, qui a été évaluée à 3363 pour l’eau). L’épaisseur de film de Nusselt (hN = [(3µ2Re)/(ρ2NIBSβ)]1/3) a été trouvé à gamme de 4.034 x 10-4 à 7.328 x 10-4 m, alors que le Nusselt film vélocité (uN = ρNIBSβhN23µ) a été trouvé à la plage de 0,1376 à 0.4545 m/s. Pour tous les équations, q est le débit de film, variant entre 0.001667 et 0,01 m3/s ; Β est l’angle d’inclinaison de substrat, fixé à 15 ° à l’horizontale ; µ et ρ sont respectivement, la viscosité et la densité d’eau estimé à 0,001 Pa s et 1000 kg/m3; Σ est la force de tension superficielle (0.072 N/m) ; et g est la force gravitationnelle (9,81 m/s2).
Les effets de la faible inertie, les tendances observées, quoiqu’un peu similaire (Figure 4), présentait un certain nombre de différences distinctement mutualiser. Tout d’abord, il a été généralement remarqué que la taille de la goutte de satellite produite sur la région de bosse vague était toujours plus grand comparativement à d’autres régions de l’impact. Avec le recul, le contraire a été trouvé vrai sur la région de vague capillaire. Les gouttes de satellites étaient toujours très faibles. Cela se produit parce que l’onde radiale produite par la baisse d’impact devient réprimée par les ondulations capillaires existantes. Ainsi, outre propagation de l’onde s’allonger verticalement la goutte est inhibée, qui aboutit à la chute de perdre sa capacité à développer une colonne verticale suffisamment longtemps, ce qui pointe à l’éjection de seulement minuscules gouttes secondaires des colonnes élancées formé. On a aussi observé que la tendance d’une cascade a été beaucoup réduite sur la bosse de vague par rapport à d’autres régions. Dans tous les cas examinés, le produit de la coalescence partielle, guère connu un autre coalescence partielle, tandis que sur un film plat, vers le haut dans trois à quatre sont respectées. La hauteur de la colonne a été observée aussi à être plus élevés et plus incliné dans le sens d’écoulement sur la région de bosse de vague par rapport à d’autres régions.
Sur la région de film plat par rapport à d’autres régions de l’impact, il y a une augmentation de la tendance d’un résultat qui rebondit. Cela se produit en raison de la forte lubrification force exercée sur la baisse de ce film plat mince, qui ralentit l’écoulement/amincissement de la couche d’air intermédiaire entre la chute et le film, ce qui empêche la fusion. Cette époque se traduit par la déformation de la baisse observée ainsi que le lancement éventuel. En comparaison, les impacts sur la bosse de vague sont plus sujettes à la coalescence partielle, en partie à cause de l’épaisseur du film, l’absence de vagues préexistantes (que l'on trouve dans la région de vague capillaire), et enfin la force de lubrification réduite causée par recirculation d’écoulement dans cette région. Ils résultent cumulativement dans la génération de colonnes plutôt plus longues que celles produites sur d’autres régions.
Avec une augmentation de la vitesse d’écoulement de liquide du film (c'est-à-dire, film Re) ; impacts sur les vagues capillaires a souvent donné lieu à un glissement doux de la baisse de la vague capillaire sans fusion (voir Figure 5 a-5 h). Cette baisse de roulement (Figure 5 d-5f) puis plus tard monte la butte solitaire sur-venue (Figure 5 g et 5 h) où il subit une coalescence partielle (non illustrée). Cependant, le résultat de l’impact sur la région de film plat change de la coalescence partielle constante pour privilégier le mode qui rebondit. Dans le cas de l’impact sur la vague capillaire, l’augmentation dans le film Re entraîné plus étroitement pointus ondes capillaires qui agissait alors comme un « coussin » sur lequel la chute « rode », d'où la coulissante observée des gouttes. À la moindre Re, un pincement très rapide hors de goutte est habituellement observé sur la région de film plat (de taille 90 % de la baisse initiale), avec cette baisse touchés par un mode « danse » avant il fusionne plus tard et se traduit par une coalescence partielle normale. Ce n’est, toutefois pas observé sur d’autres régions du film contrôlé.
Avec une augmentation de goutte nousd, on a fait observer que la hauteur de la colonne a augmenté aussi bien sur la région de film plat et la bosse vague mais réduit sur la région de vague capillaire.
Enfin, avec une augmentation de taille des gouttes, plus longs et plus larges des colonnes ont été observées sur la région de film plat, qui à son tour a donné lieu à une plus grande baisse de satellite. Cependant, sur la butte de vague, cela n’a été observée, au lieu de cela, une transition à coalescence total a été observée. Sur la vague capillaire, l’augmentation de taille des gouttes conduit à glissement réduite de la goutte et une transition à coalescence partielle. La plus forte baisse, cependant, a donné presque immédiatement à coalescence total. Ces résultats sont résumés dans le tableau 1.
Au-delà des gouttelettes vitesse 1,70 ± 0,03 m/s, un résultat d’éclaboussure est observé dans les trois régions à la surface de film (Figure 6). Toutefois, si un résultat similaire est observé aussi bien dans ce régime, frappant des différences sont observées dans la morphologie de hauteur formée de son état, diamètre, épaisseur de paroi, angle d’inclinaison, temps coalescent ainsi que nombre et éjecté de la distribution de la taille de gouttelettes secondaires.
Dans la région « onde bosse », la structure de la cime est différente de celle de la « capillaire » et « régions de film à plat », car sa forme est plus régulière. Il possède aussi une paroi plus épaisse de la Couronne et la hauteur de la Couronne est plus élevée que ceux observés dans les « capillaire » et « régions de film à plat ». Il y a aussi des gouttelettes secondaires moins éjectés de sa jante en comparaison avec les couronnes formé dans les autres régions. Enfin, un temps plus long de coalescence est observé avant que le ministère public est emporté par le film qui coule.
Dans la « vague capillaire » ou la « région de film plat », les couronnes formés sont également très différentes basé sur un certain nombre de fonctionnalités. Tout d’abord, on a fait observer que la hauteur arrière de la Couronne est affectée par des bosses capillaires ainsi que la dynamique du renversement des écoulements dans cette région « vague capillaire », provoquant ainsi la Couronne formée pour apparaître plus verticale. Cette inversion de flux se traduit par le transport de masse liquide vers l’arrière qui augmente la hauteur arrière de la Couronne formée. Ceci, cependant, n’est pas observé sur les films plats : la Couronne est naturellement inclinée dans le sens d’écoulement de liquide et s’incline encore plus loin avec l’augmentation de Re. Cette inclinaison peut être observée dans les extrémités en amont et en aval de la Couronne. En comparaison, les vagues capillaires, comme le film que re est augmentée, la face arrière de la Couronne semble devenir plus « verticale » d’une manière tout à fait opposée à celle observée sur plats films. La hauteur de la Couronne sur le film plat est cependant plus élevée que celle sur les vagues capillaires en raison de l’enfermement du substrat. Il y a aussi une apparition plus rapide d’éjection de la goutte secondaire de la jante de la Couronne, sur les ondes capillaires comparativement à celui sur les films plats. Enfin, plus secondaires gouttelettes sont éjectés sur le bord de la Couronne sur les films plats que celui sur les ondes capillaires.
Évolution temporelle de la Couronne présente une faible dépendance du diamètre de la couronne lors de film Re dans toutes les régions de l’écoulement. La plus faible dépendance Re est observée dans la région « onde bosse ». Dans la région « film plat », la hauteur de la Couronne est observée à augmenter avec Re comme attendu, puisque la plus grande et Re sont associés à des films plus épais. Le degré d’inclinaison de la couronne vers le sens d’écoulement est également plus élevé avec l’augmentation de Re dans le « film plat » et « onde bosse » régions ; cet effet, cependant, semble être que moins prononcée dans la « région de vague capillaire ».
Dans la région « onde bosse », il y a moins de gouttelettes secondaires éjectés avec une augmentation de re Il semble exister une peu faible dépend de la hauteur de couronne Re, bien qu’il y a une diminution de la durée de coalescence de couronne avec une augmentation de Re, qui est le résultat de l’augmentation de la vitesse du film coulant à laquelle survient l’impact, qui rapidement balaie la Couronne coalescence loin du point d’impact initial. Il y a aussi un changement de l’inclinaison de la Couronne dans la région de « onde bosse » selon la compétition entre l’inertie de la baisse d’impact et celle du film qui coule. À plus faible Re, la Couronne doit faire face à la direction en aval, tout en Re des valeurs plus élevées, il est confronté à l’amont (Figure 7). Cette tendance n’est pas observée dans la « vague capillaire » et les « régions film plat ».
Dans la région de la vague capillaire « », plus secondaires gouttelettes sont observées au bas Re. Il y a aussi une augmentation de la hauteur totale de la Couronne avec Re, et, à plus faible Re, éjection de gouttelettes est principalement dans la direction longitudinale (avec la jante de la Couronne supérieure à l’avant qu’à l’arrière et aussi inclinée en plus vers la longitudinale direction). La hauteur devient plus symétrique au plus Re, qui est censé être à la suite de l’effet équilibrant des bosses plus quelles ondes capillaires possèdent à leur arrière, ainsi l’équilibrage du décollage la hauteur du support Couronne à l’arrière.
Avec la baisse effet Weber, on peut constater que le diamètre de la Couronne augmente à un taux plus élevé avec le nousd; le plus fort taux est associé à la « région de bosse de vague ». Autre différence observée dans le nombre et la distribution de la taille de la goutte secondaire éjectée dans ce régime éclaboussures sont indiquées dans la Figure 8 et Figure 9, respectivement. Ces résultats sont résumés dans le tableau 2.
Figure 1 : plate-forme expérimentale. (A) représentation schématique de la plate-forme expérimentale de, , comprenant l’unité de film tombant pour l’écoulement de liquide du film sur un substrat en verre incliné ; une unité de contrôle de film (comprenant une électrovanne branchée sur un relais sans verrouillage par carte d’acquisition de données et un générateur de fonctions qui envoie le signal automatique contrôlant l’ouverture et la fermeture de l’électrovanne) ; un pousse-seringue utilisée pour la production de gouttelettes de tailles contrôlés d’une hauteur calculée au-dessus de la surface du film et une caméra à haute vitesse pour l’imagerie numérique. Les résultats obtenus sont analysés sur le système informatique. Reproduit d’Alan & Matar 201715 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. (B) une vue image du gréement. (C) - (D) description picturale d’éclairage aménagé. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : effet de la commande de film sur la dynamique d’évolution de vague sur un film liquide qui coule. Image de Shadowgraph (A) de la surface du film avant commande film. Le film se caractérise par la présence d’évoluer naturellement les ondes sont stochastique dans la nature et présentent des dynamiques spatio-temporelles irrégulières. Image de Shadowgraph (B) de la surface du film après avoir forcé. Les vagues sont des contributions de rendu spatio-temporelle régulier et prévisible, de la structure spatiale de baisser l’impact facile à étudier. (C) formation d’onde solitaire sur un film de liquide qui coule contrôlé mettant en évidence les différentes régions de vague capillaire de surface savoir : film, film plat et vague bosse régions. (D) Magnified vue d’une structure d’onde du singulier montrant le profil d’écoulement dans chaque zone. Reproduit d’Alan & Matar 201715 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : résolution spatiale à fps 5000. Avec un angle d’inclinaison de substrat de 15 °, la résolution spatiale est calculée à 67,5 µm/pixel et 46,6 µm/pixel dans les directions longitudinale et envergure, respectivement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : effet du film contrôle sur le résultat de la faible inertie gouttes ayant une incidence sur les différentes régions d’un film fluide contrôlé, contrasté contre un film incontrôlé. La hauteur de chute de gouttelettes est de 0,005 m, taille des gouttes est 3,3 mm, vitesse de film est de 5 x 10-3 m3/s, forçant la fréquence est de 2 Hz, correspondant au film Re 166,5, drop nous 3.134 et Oh 0,0021. La baisse s’approche la surface du film (a) et le contact (b), déclenche le drainage de la couche d’air intermédiaire entre elle et le film. Ces résultats dans la déformation de la forme de goutte, une propagation radiale du capillaires ondulations sur la surface du film, initiée au point d’impact (c-d). Une fois que la couche d’air est rompue, une fusion de la goutte liquide avec le film liquide est observé (e) et une croissance verticale de colonne cylindrique de liquide (dans un cas de coalescence partielle/totale). Elle est suivie d’un point fixe d’ondes capillaires sur la colonne formée, qui s’allonge il. Enfin, un pincement d’une goutte de satellite est observé (g-h), dans une affaire de coalescence partielle, ce qui est de taille inférieure à la chute de mère initiale. Répéter le processus de coalescence est aussi bien vu (i-j). Des différences qualitatives sont visibles dans les résultats observés (coalescence rebondissant ou coulissant ou partielle) et la présence d’une cascade ; Bien que des différences quantitatives sont observées dans le temps de pincement, la taille (hauteur et largeur) de la colonne de liquide formé, taille de goutte éjecté par satellite, et la cascade points. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : goutte glisse sur la région de vague capillaire d’un film fluide contrôlé. Le diamètre des gouttelettes est 2,3 mm, avec une hauteur de chute de 0,008 m tandis que le débit de film taux est 10 x 10-3 m3/s, correspondant à Oh = 0,0024, nousd = 5.014 et film Re = 333, respectivement. Obligeant a été réalisée à 2 Hz. (a) approche. (b) le contact. (c-f) Le déploiement de goutte. (g.-h.) Escalade la butte solitaire venant en sens inverse. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : effet du contrôle de film sur éclaboussures des phénomènes sur les différentes régions de l’impact sur un film fluide contrôlé, contrasté contre un film incontrôlé. Le diamètre de la gouttelette est 3,3 mm, avec une hauteur de chute de 0,25 m tandis que le débit de film taux est de 5 x 10-3 m3/s, correspondant à Oh = 0,0021, nousd = 224,8 et film Re = 166,5, respectivement. Obligeant a été réalisée à 2 Hz. La goutte de liquide s’approche la surface du film (a) et développe immédiatement après le contact (b), une feuille d’éjectas qui pousse dans une couronne (c). La culture de la Couronne (d-e) des rendements plus tard à une instabilité de Rayleigh-Plateau qui mène à l’éjection de petites gouttelettes de sa jante (FJ). La Couronne s’effondre par la suite et fusionne avec le film (k), être emporté par la circulation venant en sens inverse. Les différences uniques dans le résultat de l’impact sur les différentes régions de l’impact sont visibles dans la taille (hauteur et diamètre) de la Couronne formée, nombre et distribution de la taille des gouttes secondaires éjectés, le degré de couronne tilt, épaisseur de paroi, Couronne face à la direction et le temps final de coalescence. Reproduit d’Alan & Matar 201715 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : effet de film Reynolds et chute Weber sur la propagation de la Couronne dans la région « onde bosse ». La taille des gouttelettes est de 3,3 mm, correspondant à Oh = 0,0021 et la baisse des hauteurs de chute variait de 0,20 à 0,35 m (correspondant à nousd = 179,8-314.7) tandis que Re est de l’ordre de 55,5 à 333. Les diamants rouges représentent des résultats avec la Couronne dans la direction en aval, alors que les diamants bleus affichent des résultats en amont face à couronne. L’inclinaison de la Couronne est affecté par la concurrence entre l’inertie de la baisse d’impact et celle du film qui coule. Plus précisément, à faible Re, la Couronne est inclinée dans la direction longitudinale, mais comme l’inertie du fluide film gagne en importance, la direction change et qu’il doit faire face en amont. Cette couronne en amont-face vers est maintenue dépassant une valeur de Re d’environ 250 quel que soit l’ampleur des nousd. Reproduit d’Alan & Matar 201715 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : Variation du nombre de gouttelettes secondaires éjecté de la jante de la Couronne dans les régions de l’impact différent d’un film contrôlé (viz « vague capillaire », « film plat » et « onde bosse » régions, montrées de gauche à droite, respectivement) contrasté contre un film incontrôlée. La taille des gouttelettes est de 3,3 mm correspondant à Oh = 0,0021 et la baisse des hauteurs ont été variées de 0,20 à 0,35, aboutissant à des vitesses d’impact au sein de la gamme 1.981-2.621 m/s (correspondant à nousd = 179,8-314.7). Les rectangles rouges représentent la hauteur de chute chute de 0,35 m, le vert diamants 0,3 m, le bleu des cercles 0,25 m, et l’orange squares 0,2 m, respectivement. Le nombre de gouttes secondaires éjectés augmente avec la chute nous dans toutes les régions tout en une tendance irrégulière est observé avec le film Re augmentation : sur la bosse de la vague, on observe une diminution du nombre de gouttes secondaires éjectés tandis que sur la vague capillaire et plat film de régions, on observe une légère augmentation. Un plongeon est remarqué autour film Re 166,5 pour la vague capillaire, qui survient à la suite de la compétition entre les vitesses tangentielles de la goutte et celle du film. La tendance disproportionnée observée sur les films non contrôlés est censée se produire en raison de la nature stochastique des vagues sur la surface du film. Reproduit d’Alan & Matar 201715 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 9 : effet de la région de l’impact sur la distribution granulométrique des éjecté goutte secondaire sur un film contrôlé contrasté contre un film incontrôlé. La taille des gouttes est 3,3 mm tandis que le débit du film est de 5 x 10-3 m3/s correspondant à un film Re de 166,5 et goutte Oh 0,0021. Hauteurs de chute de la chute sont 0,2, 0,25, 0,3 et 0,35 m correspondant à nousd 179,8, 224,8, 269,8 et 314,7 respectivement. Sur la vague capillaire, la forme de la distribution est en grande partie inchangée avec l’augmentation du nombre de Weber, mais une augmentation notable du nombre de gouttes de la gamme de 0,5 à 1,0 mm. Sur les films plats, cependant, on observe que la granulométrie varie de 0 à 2,0 mm, et un décalage est observé vers les gouttes de 0 à 0.5 mm de taille comme le nombre de Weber est augmenté. Cette augmentation du nombre de petites gouttes éjecté différencie clairement des autres régions, la région de film plat. Sur la bosse de la vague, la distribution granulométrique montre que les grosses gouttes dans la gamme (1,0 à 2,0 mm) sont éjectées même pour le plus petit nombre de Weber examiné. Contrairement à ce qui précède, les distributions de taille de goutte associées à un film incontrôlé ne présentent pas une forme visiblement distincte en raison du caractère stochastique des vagues sur ce genre de films. Reproduit d’Alan & Matar 201715 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
| Paramètres | Région de vague capillaire | Région de film plat | Région de bosse vague |
| Hauteur de l’apex de la colonne de liquide | Court | Médium | Haute |
| Taille de goutte de satellite | Petit | Moyenne | Grande |
| Existence de cascade | Rare | Oui | Aucun |
| Effet de Re augmentation | Phénomènes de glissement | Phénomènes qui rebonds | Transition à coalescence total |
| Effet de l’augmentation de nous | Diminution de la hauteur d’une colonne | Augmentation de la hauteur d’une colonne | Augmentation de la hauteur d’une colonne |
| Diminution de l’effet de Oh | Réduite baisse coulissant | Les colonnes plus longs et plus larges, plus grand satellite tombe | Transition à coalescence total |
Table 1. Différences paramétriques sur dynamique impact faible inertie gouttelette sur différentes régions d’un film fluide contrôlé.
| Paramètres | Région de vague capillaire | Région de film plat | Région de bosse vague |
| Forme de la Couronne | Irrégulière | Irrégulière | Régulière |
| Hauteur de la Couronne | Haute | Plus élevé | Plus haut |
| Épaisseur de paroi de couronne | Mince | Plus mince | Épaisse |
| Nombre de gouttes secondaires | Plus | Plupart | Petit/aucun |
| Angle d’inclinaison de fourche | Réduit avec film Re | Augmente avec le film Re | S’inverse au-delà de Re 250 |
| Coalescent fois | Rapide | Lente | Plus retardé |
| Effet de film Re augmentation | Ministère public devient plus « verticale » | Augmentation de la hauteur de la Couronne, Couronne plus raide et d’inclinaison dans le sens d’écoulement de film, | Diminuer en nombre de gouttes secondaires, changement de couronne face vers delà Re 250 |
| Effet de la baisse augmentation de Weber | Apparition plus tôt et augmentation du nombre de gouttes secondaires et augmentation du diamètre de la Couronne. | Augmentation du nombre de gouttes secondaires, hauteur de la Couronne et le diamètre de la Couronne ; diminution de la taille des gouttes secondaires | Augmentation du nombre de gouttes secondaires, hauteur de la Couronne, diamètre de la Couronne, temps de coalescence et changement de couronne face vers. |
| Effet de chute Oh baisse | Augmentation de la hauteur et le diamètre de la Couronne | Augmentation de la hauteur et le diamètre de la Couronne | Augmentation de la hauteur et le diamètre de la Couronne |
Le tableau 2. Des différences paramétriques sur goutte de forte inertie d’impact dynamique sur différentes régions d’un film fluide contrôlé (le régime éclaboussures).
Discussion
Dans cette section, nous fournissons quelques conseils nécessaire pour garantir des résultats qualitatifs sont obtenus à partir du protocole. Tout d’abord, le substrat de verre sur lequel le flux de liquide du film doit être complètement sans poussière pour garantir les propriétés du film liquide sont conservés sans compromis. Ceci est réalisable par un nettoyage régulier (probablement à l’aide d’un détergent adapté et essuyée sur un plateau pour éviter la dissolution dans le système). De même, il faudrait un remplacement régulier du liquide-test entier après quelques tours expérimentales, afin de garantir des résultats précis.
Deuxièmement, la chambre de distribution de fluide doit être bien maillée et gardé aussi étanche à l’air pour que le film liquide sortant soit uniform. Cela peut être fait en siphonnant manuellement air out of the box distribution avant chaque expérience. L’utilisation de micromètre-marches à l’entrée du cinéma est aussi conseillée pour définir l’écart-hauteur à l’entrée de film dans l’épaisseur du film exact prévue par l’estimation de Nusselt du débit film au nombre de Reynolds correspondant. Cela permettra d’éviter un ressaut hydraulique ou refoulement à l’entrée.
Le fonctionnement de l’électrovanne doit également toujours être vérifié et constaté correctement. C’est parce qu’une pulsation appropriée du débit est nécessaire pour assurer la production des vagues forcés. Ceci peut être vérifié depuis le cliquetis régulier de l’électrovanne, mais aussi une pulsation perçue sur les tuyaux de raccordement. Le débit du liquide dans la pompe seringue doit également être défini avec précaution afin d’assurer que les gouttelettes sont éjectés d’une manière dégoulinant, évitant toute accélération préalable avant de tomber.
Étalonnage de l’appareil à grande vitesse doit être assurée afin d’obtenir des résultats très précis. La taille de l’ouverture doit également être soigneusement choisie compte tenu des paramètres tels que la profondeur de champ, temps d’exposition et luminosité de l’image globale. Pour la caméra de déclenchement pendant l’enregistrement vidéo, les utilisateurs doivent également d’estimer combien d’images doit être enregistrées avant de déclencher. Cela peut varier avec les individus, selon l’heure d’impact de chute, par conséquent, plusieurs essais pour la pratique sont recommandés avant les mesures réelles. De même, la source lumineuse doit être convenablement disposés et bien diffusé pour minimiser les ombres de l’image.
Il est important de noter et se rappeler que l’objectif principal de l’étude est la contribution des vagues à la dynamique de l’impact des gouttes tombant, d'où la formation de structures vague régulière est indispensable à une étude précise de la physique sous-jacente. Dans les scénarios où les structures de vague sont observées à passer rapidement à des structures en trois dimensions, il est conseillé que l’angle d’inclinaison de substrat soit réduite de14,19 pour faciliter une transition plus lente des structures vague .
Une des limites de la technique sont observée en l’absence d’un dispositif de mesure spécifiant l’épaisseur réelle film instantané sur chaque région de l’impact. Cela aurait fourni des détails supplémentaires sur les phénomènes observés ensemble.
En résumé, la procédure décrite dans le présent rapport peut également être utilisée pour étudier la vague simple évolution dynamique, tandis que le système d’imagerie à grande vitesse décrit peut être appliqué à de nombreux domaines de recherche dynamique rapide comme goutte liquide éclatement21, 22/coalescence23, jets granulaire24, etc. , où les phénomènes importants sont observés à une micro échelle de temps.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à déclarer.
Acknowledgments
Ce travail a été parrainé par le Fonds de développement technologique du pétrole (PTDF, Nigéria) et de l’ingénierie et Physical Sciences Research Council, UK, via le Programme de subvention MEMPHIS (numéro de licence EP/K003976/1). Les auteurs apprécient également des discussions fructueuses avec Dr Zhizhao Che.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Function generator | GW INSTEK | AFG 2005 Series, Digital. Geo0852266 | Produces a varied type of wave signals, ranging from sine, square to saw-tooth wave at different frequencies (0.1 Hz - 5 MHz). |
| Syringe pump | Braintree Scientific Inc. | Bs-8000 /225540 | |
| Solenoid valve | SMC-VXD | 2142A. 0AE-5001 |
Series-pilot-operated-two-port |
| Relay | Takamisara | A5W-K. 154424C-03L |
|
| Electric pump | Clarke SP | SPE1200SS 1 | |
| Flow meter | RS Component | CYNERGY3 UF25B 14011600040110 | Measurement range: 0.2-25 L/min |
| Micrometer step | RS Component | Micrometer Head | 0.01 mm/0 -13 mm |
| High-speed camera | Olympus | I-SPEED 3. | Capable of recording at up to 100, 000 frames per second. |
| Light source | TLC Electrical supplies | IP54 -black | Double enclosed halogen floodlight. Rating 500 W. |
| Light diffusor | OptiGraphix | DFPMET | 250 μm thickness |
| Glass substrate | Instrument Glasses Ltd | Soda Lime Float Glass; 570 mm x 300 mm x 4 mm | Flatness tolerance 0.02/0.04. |
| Macro-lenses | (a) Nikon (b) Sigma |
(a) AF-Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 D (b) 105 mm f/2.8 Macro-Ex |
|
| Test-liquid | De-ionized water from the Imperial College Analytical Lab. | Standard solution (AnalaR) |
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