Summary
Ein Protokoll zu die Beiträgen der Wellen zu Tröpfchen Auswirkungen Dynamik auf fließende flüssigkeitsfilme studieren wird vorgestellt.
Abstract
Droplet Auswirkungen ist ein sehr weit verbreitetes Phänomen in der Natur und zieht Aufmerksamkeit wegen seiner ästhetischen Faszination und vielfältigen Anwendungen. Frühere Studien zu fließenden flüssigkeitsfilme haben die Beiträge der räumlichen Strukturen von Wellen auf das Ergebnis Einfluss vernachlässigt, während dies vor kurzem gezeigt hat, haben einen erheblichen Einfluss auf die Drop-Auswirkungen-Dynamik. In diesem Bericht beschreiben wir eine schrittweise Anleitung zur Untersuchung der Wirkung regelmäßigen Zulauf zu zwingen, von einem fließenden Flüssigkeitsfilm führt zu die Produktion der raumzeitlichen regelmäßigen Welle Strukturen auf Drop Auswirkungen Dynamik. Ein Funktionsgenerator in Verbindung mit einem Magnetventil wird verwendet, um diese raumzeitlich regelmäßigen Welle Strukturen auf der filmoberfläche zu begeistern, während die Auswirkungen Dynamik der Uniform-große Tröpfchen mit einer Highspeed-Kamera erfasst werden. Drei verschiedene Regionen werden dann untersucht; nämlich der Kapillare Welle-Region vor der großen Welle Spitze, Flachfolien-Region und der Welle-Buckel-Region. Die Auswirkungen der wichtigen Dimensionslose Größen wie Film Reynolds, drop Weber und Ohnesorge Zahlen von der Film-Durchfluss, Drop-Geschwindigkeit und Tropfengröße parametrisiert werden ebenfalls untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen interessante, bisher unentdeckte Dynamik durch diese Anwendung Film Einlass Erzwingen des fließenden Films für beide niedriger und hoher Trägheit Tropfen herbeigeführt.
Introduction
Tropfen ist ein sehr weit verbreitetes Phänomen in der Natur und zieht die Aufmerksamkeit von jedem neugieriger Beobachter1. Es stellt ein aktives Forschungsfeld durch seine zahlreichen Anwendungen, darunter sprühnebelkühlung Feuer-Unterdrückung, Inkjet-Druck, Spray-Beschichtung, Ablagerung von Lötzinn Unebenheiten auf Leiterplatten, die Gestaltung von Verbrennungsmotoren, Oberfläche reinigen und Zelle-Druck2. Die Anwendung erstreckt sich auch auf Landwirtschaft, z.B., Beregnung, Bewässerung und Pflanzenschutz Spritzen3,4. Wegweisende Arbeit stammt ausdem 19. Jahrhundert, mit der Arbeit von Worthington5, während große Fortschritte erst vor kurzem durch das Aufkommen von High-Speed-imaging6vorgenommen wurden . Seitdem wurden mehrere Studien durchgeführt; Verwendung unterschiedlicher Arten von Auswirkungen Oberflächen von Festkörpern7,8, flach,9 und tief flüssigen Pools10,11 , Dünnschichten12,13.
Trotz des großen Volumens der Forschung über Tröpfchen Auswirkungen auf flüssigen Oberflächen (d.h., flachen und tiefen Pools und ruhenden Filme), hat Auswirkungen auf die fließende dünne flüssigkeitsfilme nicht so viel Aufmerksamkeit erhalten. Darüber hinaus haben Studien bisher, die Beiträge der räumlichen Strukturen der Wellen zu Tröpfchen Auswirkungen Dynamik vernachlässigt.
In diesem Bericht stellen wir Ihnen ein detailliertes experimentelle Verfahren untersuchen die Tröpfchen Folgenabschätzung auf fließende Filme, deren Dynamik durch Einlass erzwingen der Flüssigkeitsstrom Rate beeinflusst werden; Im folgenden verweisen wir auf sie als "kontrolliert" Filme. Wir finden, dass diese haben zahlreiche Anwendungen in mehrphasigen Branchen (z. B. bei der Kühlung Türme, in Destillationskolonnen, und auch in den ringförmigen Strömungsregime zu beobachten, in zwei-Phasen-Strömungen), zumal Film Kontrolle, ein wichtiger Schritt in geworden ist die Intensivierung der Wärme- und Stofftransport in vielen Prozess Industrie14. Der interessierte Leser wird unsere bisherige Arbeit15 für mehr Details über die Ergebnisse unserer Forschung Bemühungen zu diesem bezeichnet.
Diese Anwendung der Frequenz Schwingungen der Einlass Durchflussmenge führt zur Bildung von regelmäßigen Wellen auf der filmoberfläche. Wir konzentrieren uns auf die solitäre Welle-Familie, die ist im Wesentlichen geprägt von schmalen Spitzen weit voneinander entfernt und eine Reihe von Front-Running Kapillarwellen16,17,18vorangestellt ist. Wir studieren das Ergebnis über die Auswirkungen der drei Hauptteile des einsamen Wellenstruktur zugeordnet: "Flachfolie" und "Welle Buckel" Front-Running "Kapillare Welle" Regionen. Wir vergleichen auch diese Ergebnisse mit denen unkontrolliert fließenden Filme zugeordnet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die stochastische Natur der Welle Auftritt auf der unkontrollierten Film deutlich beeinflusst das Ergebnis der Tropfen Wirkung, mit den getrennten Regionen des kontrollierten Films zeigt auch neue Mechanismen, die wir haben detaillierte beide qualitativ und quantitativ.
In der bisherigen Papier-15mit dem gleichen Verfahren haben wir untersucht die Wirkung von Film Kontrolle über Tröpfchen Auswirkungen Dynamik in das Spritzwasser Regime. Die erzielten Ergebnisse zeigten sowohl quantitative als auch qualitative Unterschiede in der Krone-Morphologie (Höhe, Durchmesser, Wandstärke, Neigung und Richtung) sowie die Anzahl und Größe Verteilung der ausgeworfenen sekundäre Tröpfchen.
In diesem Bericht beschreiben wir die gestaltete Einrichtung um die entscheidende Rolle von diesen räumlichen Strukturen in der Tröpfchen Auswirkungen Dynamik und auch vorhanden prägnanten Details unserer Ergebnisse nicht nur in das Spritzwasser Regime, sondern auch für andere Ergebnisse der Tröpfchen zu verstehen Auswirkungen (nämlich springen, Rutschen, partiell/Total Koaleszenz). Befolgen Sie die unten beschriebene Standardprotokoll, kann die Wirkung von Film-Steuerelement auf das Droplet Auswirkungen Dynamik in reproduzierbarer Weise untersucht werden.
Protocol
(1) experimentelle Rig Setup
Hinweis: Siehe Abbildung 1.
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Fallende Film-Einheit
- Beginnen Sie mit die Substratoberfläche (Glas) mit einem sauberen, weichen Tuch reinigen. Stellen Sie sicher, dass kein Schmutz auf die Oberfläche eingehalten wird, die die flüssigen Eigenschaften verändern würde.
- Legen Sie den Drehpunkt des dem Glassubstrat auf den gewünschten Neigungswinkel. Einem Neigungswinkel β von 15˚ wurde in dieser Arbeit verwendet.
- Die elektrische Pumpe einschalten und sorgen für einen normalen flüssigen auf der filmoberfläche weiter das Glassubstrat reinigen. Für diese Arbeit war die Testflüssigkeit deionisiertes Wasser.
- Stellen Sie sicher, dass die gesamte Oberfläche des Substrates benetzt ist.
- Der Film-Volumenstrom mit dem Flow-Meter zu messen. Für diese Arbeit wurde die Fließgeschwindigkeit variiert zwischen 1.667 x 10-3 und 10 x 10-3 m3/s mit dem entsprechenden Film Reynolds-Zahl Re = ρq/Wµ, zwischen 55,5 und 333. w ist die sinkende Folienbreite, 0,30 m.
- Nach und nach Einstellen der Ventile auf die Fluss-Verbindung, die gewünschte Durchflussgeschwindigkeit auf dem Glassubstrat zu erhalten.
- Passen Sie den Satz von Mikrometer Schritt am Film Einlauf auf den entsprechenden Nusselt Film Dicke Wert für die gewählte Durchflussmenge einen hydraulischen Sprung an Film Einlauf oder eine Rückströmung der Luft in der verteilerkammer zu vermeiden.
- Manuell siphon alle Luft in der verteilerkammer eine gleichmäßige Strömung flussabwärts auf der filmoberfläche zu erhalten.
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Film-Steuergerät
- Sicherstellen Sie, dass das Magnetventil über ein Relais nicht selbsthaltend über eine Datenkarte für den Erwerb (DAC) der Funktionsgenerator verbunden ist.
- Schalten Sie das Magnetventil und der Funktionsgenerator.
- Der Funktionsgenerator auf die gewünschte zwingen Frequenz eingestellt. In dieser Arbeit wurden die Frequenzen von 2 bis 3 Hz verwendet.
- Wählen Sie das gewünschte Welle Signal (Sinus, Sägezahnschwingung, quadratische Welle, etc.). In dieser Arbeit wurde ein Sinus-Signal verwendet. Abbildung 2A und 2 b zeigen den Kontrast zwischen einer unkontrollierten und kontrollierten Film.
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Tröpfchen-Generation-system
- Wasser gefüllten Spritze sauber Kunststoffschlauch zuordnen.
- Legen Sie die Spritze in die tropfengenerators.
- Befestigen Sie eine Spritzennadel einer gewählten Größe (abhängig von der gewünschten Tropfendurchmesser) an das andere Ende der Kunststoffschlauch. Die Tröpfchen Durchmesserbereich studierte war zwischen 0,0023, 0.0044 m.
- Die Fallhöhe des Tropfens oberhalb der filmoberfläche anpassen. In dieser Arbeit die Fallhöhe Herbst war variierte von 0,005 bis 0,45 m, was Auswirkung Geschwindigkeit zwischen 0,30 ± 0,02 - 2.96 ± 0,06 m/s.
- Ebenso setzen Sie die streamwise Auftreffpunkt des Tropfens aus dem Film. Dies wurde eingerichtet um 0,3 m in dieser Arbeit um sicherzustellen, dass die Wellen vor Auswirkungen wohlgeformt sind.
- Legen Sie eine gewünschte Durchflussgeschwindigkeit für die Spritzenpumpe.
- Passen Sie den Durchfluss um ein Tröpfchen Generation Frequenz größer als die Wellenlänge der Wellen gebildet auf der filmoberfläche zu erreichen; um sicherzustellen, dass Tropfen nacheinander in verschiedenen Regionen des kontrollierten Films eingreifen. Siehe Abbildung 2; mit einer Erweiterung einer singulären Wellenform in Abb. 2D , die Unterschiede in das strömungsbild unter jede Region19,20zeigen.
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High-Speed-imaging-setup
- Legen Sie die Kamera auf ein Stativ (oder jede andere geeignete Anordnung).
- Wählen Sie das Makro-Objektiv mit gewünschte Brennweite und an die Kamera anschließen.
- Die High-Speed-Kamera einschalten und direkten Fokus auf der filmoberfläche zu gewährleisten. Richten Sie die Kamera auf 7˚ und 12˚ horizontale und vertikale Abweichungen bzw. auf der Folienoberfläche. Das gibt ein ausgezeichnetes Seitenansicht Bild des Prozesses Auswirkungen, was zu einer Auflösung von 67,5 µm/Pixel und 46,6 µm/Pixel in Richtung streamwise und spanwise bzw..
- Stellen Sie den Fokus der Kamera-Linse (bei der größten Blende) mithilfe einer Kalibrierung genau auf die Tröpfchen Auswirkungen vor Ort gelegt.
- Sobald ein scharf gewonnen worden sind, reduzieren Sie die Blende um sicherzustellen, dass nur eine kleine Menge von Licht die Kamera betritt.
- Stellen Sie die gewünschte Framerate, Auflösung und Verschlusszeit der High-Speed-Kamera. Eine Frame-Rate von 5000 bps, 800 x 600 Auflösung, Blende Größe 1/16 und eine Verschlusszeit von 1 µs wurden in dieser Arbeit verwendet.
- Legen Sie die leichte Diffusor vor der Lichtquelle, wie in Abbildung 1dargestellt, um sicherzustellen, dass das Licht gleichmäßig in der gesamten bildgebenden Region verbreitet ist.
- Schalten Sie die Lichtquelle, die einheitliche Verbreitung des Lichts über die imaging-Bereich zu bestätigen.
2. Kalibrierung
Hinweis: Siehe Abbildung 3.
- Legen Sie ein Lineal in Strömungsrichtung Film (genau an der Stelle des Aufpralls) und erhalten Sie Momentaufnahmen der Messpunkte auf der filmoberfläche zu.
- Wiederholen Sie 2.1 aber mit dem Lineal in die spanwise Richtung.
- Mithilfe der oben genannten um räumlichen Auflösungen auf der filmoberfläche zu erhalten.
(3) video-Aufzeichnung und Datenerfassung
- Sobald Film fließen auf dem Prüfstand besteht, beginnen Sie die Spritzenpumpe und beobachten Sie die Wirkung der Tropfen Tropfen auf der filmoberfläche.
- Starten Sie der Funktionsgenerator und beobachten Sie die Produktion von raumzeitlich regelmäßige Wellen auf der filmoberfläche.
- Sicherstellen Sie, dass die aufeinanderfolgenden Tropfen sind Auswirkungen auf die verschiedenen Regionen von der kontrollierten Folienoberfläche.
- Beobachten, die Post-Triggerung Anzahl Rahmen und legen Sie diese auf etwa die Hälfte der Videolänge, die Auswirkungen angemessen zu erfassen.
- Schalten Sie die Lichtquelle und Auslöser der Bildaufnahme, sobald sich der Fall.
- Schalten Sie die Lichtquelle sobald Bildaufnahme nicht überhitzen des flüssigkeitsfilms abgeschlossen ist.
- Visuelle Analyse des erhaltenen Snapshots auf dem Computerbildschirm. Überprüfen Sie, ob die Auswirkungen auf eine Flachfolie, Kapillare Welle stattgefunden hat oder Welle Buckel Regionen.
- Schneiden Sie nach unten das Video zu dem Teil zeigt den Einfluss Prozess und speichern Sie Frame-Bereich in einem Video/Bild-Format.
- Wiederholen Sie die 3,5-3,8 und Datensatz individuellen Auswirkungen auf alle Regionen auf der filmoberfläche viz. einsamen Buckel, Kapillarwellen und Flachfolie.
4. Bild-Nachbearbeitung und Analyse
- Legen Sie ein Lineal in das Sichtfeld und berechnen Sie die räumliche Auflösung durch zählen, wie viele Pixel über 1 cm. mit der Kalibrierung Bild passen zu, erhalten Sie einen Skalierfaktor für Bild Dimension Messung.
- Vergleichen Sie die Ergebnisse des Prozesses der Auswirkungen auf die Regionen unterschiedliche Auswirkungen aus den High-Speed-Aufnahmen. Überprüfen Sie, bemerkenswerte Unterschiede.
- Mithilfe einer geeigneten MATLAB Bildverarbeitungs-Routine, die Eigenschaften Eigenschaften des Produkts des Prozesses Auswirkungen Messen: nämlich im Spritzwasser-Modus messen die Krone Höhe, Durchmesser, Wanddicke, Winkel, Krone gerichtete Richtung, Anzahl und Größe zu kippen Verteilung der ausgeworfene sekundäre Tröpfchen.
- Als 4.3 oben für die Low-Weber Auswirkungen ähnliche Quantitative Analysen durchführen. Anzahl der Pinch-off-Zeit des Satelliten fällt aus der Zeit-gerahmte Bilder und Messen der Apex Länge und Breite der Spalte in partiellen Koaleszenz vor Pinch-off von sekundären Tropfen gebildet. Messen Sie die Größe des ausgeworfenen sekundäre Tropfen. Die Anzahl der Kaskade in einem wiederholten Pinch-off-Prozess.
- Alle qualitative Unterschiede in den einzelnen Regionen zu beobachten.
Representative Results
Im wesentlichen wurden zwei Arten von Auswirkungen untersucht; die erste war für Tropfen mit geringer Trägheit (d. h. Weber Anzahl Tropfen (wird= ρdu2/σ) von 3.1 bis hin zu 24,0 während der zweite war für Tropfen mit hohem Trägheitsmoment (i.e.,Wed 94, 539) ein Spritzer Ergebnis führt. Die gleichen Versuchsdurchführung wurde jedoch für beide Studien gefolgt. Andere Verwandten dimensionslosen Größen in der Studie verwendeten gehören den Film Reynoldszahl (Re = ρq/Wµ, zwischen 55,5 und 333), der Film Weber-Zahl (wir = ρhNuN2 /Σ, zwischen 0.1061 und 2.1024), die Tropfen Ohnesorge-Zahl (Oh = µ/ (ρσd)1/2, zwischen 0,0018 und 0,0025) und Kapitza (Ka = σρ1/3/g 1/3 µ 4/3, der berechnet wurde, 3363 für Wasser sein). Die Nusselt-Schichtdicke (hN = [(3µ2Re)/(ρ2Gsinβ)]1/3) wurde festgestellt, dass die Palette von 4.034 x 10-4 bis 7.328 x 10-4 m während die Nusselt film Geschwindigkeit (uN = ρGsinβhN23µ) erwies sich als Spektrum von 0.1376 bis 0.4545 m/s. Für alle oben Gleichungen ist q die Film-Durchflussmenge variiert zwischen 0.001667 und 0,01 m3/s; Β ist der Substrat-Neigungswinkel 15˚ zur horizontalen festgesetzt; µ und ρ sind die Viskosität und Dichte, bzw. des Wassers auf 0,001 Pa s und 1000 kg/m3geschätzt; Σ ist die Oberflächenspannung Kraft (0.072 N/m); und g ist die Schwerkraft (9.81 m/s2).
In die geringe Trägheit folgen den Trends beobachtet, obwohl ein wenig ähnlich (Abbildung 4), stellte eine Reihe von deutlich erkennbare Unterschiede. Erstens war es in der Regel bemerkt, dass die Größe der Sat-Tropfen auf der Welle-Buckel-Region produziert war immer größer im Vergleich zu anderen Regionen der Auswirkungen. Im Nachhinein fand das Gegenteil auf der Kapillare Welle Region wahr. Die Satelliten-Tropfen waren immer sehr klein. Dies tritt auf, weil die radiale Welle produziert durch den auftreffenden Tropfen durch die vorhandenen Kapillaren Wellen unterdrückt wird. Infolgedessen wird weiter Wellenausbreitung, vertikal verlängern die Tropfen gehemmt woraus sich der Tropfen verlieren ihr Potenzial, damit eine ausreichend lange vertikale Spalte entwickeln führende um das Auswerfen des sekundären nur winzige Tropfen aus schlanken Säulen, gebildet. Es wurde auch beobachtet, dass die Tendenz einer Kaskade auf der Welle Buckel im Vergleich zu anderen Regionen stark reduziert wurde. In allen Fällen geprüft, das Produkt der partiellen Koaleszenz, kaum eine andere partielle Koaleszenz, während auf einem flachen Film erlebt, bis auf drei bis vier beobachtet. Die Säulenhöhe wurde auch beobachtet, um höher und die meisten schräg in Strömungsrichtung auf der Welle-Buckel-Region im Vergleich zu anderen Regionen.
Über die Flachfolie Region im Vergleich zu anderen Regionen Auswirkungen ist eine Zunahme der Tendenz eines springenden Ergebnisses. Dies geschieht durch die starke Schmierung auf das Drop-durch diese dünne Flachfolie, das verlangsamt die Entwässerung/Ausdünnung der dazwischen liegenden Luftschicht zwischen die Tropfen und den Film, und verhindert somit die Fusion ausgeübte Kraft. Dadurch ergibt sich die beobachteten Drop Verformung sowie die eventuelle Lift-Off. Im Vergleich Auswirkungen auf die Welle Buckel sind anfälliger für partielle Koaleszenz, teilweise aufgrund der Dicke des Films, das Fehlen von bereits vorhandenen Wellen (wie in der Kapillare Welle Region gefunden), und schließlich die reduzierte Schmierung Kraft verursacht durch Rezirkulation der Strömung in dieser Region. Diese führen kumulativ die Generation eher mehr Spalten als die anderen Regionen produziert.
Mit einem Anstieg der Flüssigkeitsfilm Durchfluss (z.B. Film Re); Auswirkungen auf die Kapillarwellen oft ein sanftes Gleiten des Tropfens der Kapillare Welle ohne Fusion führte (siehe Abb. 5a-5 h). Diese sanften Tropfen (Abbildung 5 d-5f) später dann klettert die entgegenkommenden einsame Buckel (Abbildung 5 g und 5 h) wo erfährt es eine partielle Koaleszenz (nicht dargestellt). Jedoch ändert sich das Ergebnis der Auswirkungen auf die Region Flachfolie von eine stetige partielle Koaleszenz zugunsten den springenden Modus. Beim Aufprall auf die Kapillare Welle führte der Anstieg der Film Re zu enger Spitzen Kapillarwellen, die dann als ein "Kissen", auf dem die Tropfen "ritt", daher der beobachteten Schiebetüren der Tropfen, gehandelt. Bei der geringsten Reist eine sehr schnelle Kneifen aus Tropfen in der Regel auf Flachfolie und Umgebung (Größe 90 % von den ersten Tropfen), beobachtet mit dieser Rückgang erleben einige "tanzen"-Modus, bevor sie später verbindet und zu einem normalen partielle Koaleszenz führt. Dies ist jedoch nicht auf andere Regionen des kontrollierten Films beobachtet.
Mit einem Anstieg der Drop wird, es wurde beobachtet, dass die Säulenhöhe sowohl auf die Flachfolie-Region erhöht und die Welle Buckel aber auf die Kapillare Welle-Region reduziert.
Schließlich wurden mit einer Zunahme der Tropfengröße, längere und breitere Spalten auf der Region Flachfolie, beobachtet die wiederum zu einer größeren Satelliten-Tropfen führte. Doch auf der Welle Buckel, war dies nicht beachtet, stattdessen eine Umstellung auf totale Verschmelzung wurde beobachtet. Auf der Kapillare Welle führte der Anstieg der Tropfengröße zu reduzierten gleiten die Tropfen und eine Umstellung auf partielle Koaleszenz. Der stärkste Rückgang ergab jedoch fast sofort, total zusammenwachsen. Eine Zusammenfassung dieser Ergebnisse ist in Tabelle 1dargestellt.
Über Droplet Geschwindigkeit 1,70 ± 0,03 m/s, ein Splash-Ergebnis wird in allen drei Regionen auf der filmoberfläche (Abbildung 6) beobachtet. Jedoch wenn ein ähnliches Ergebnis wie auch in diesem Regime beobachtet, markante Unterschiede in der Morphologie der Krone gebildet-seine Höhe, Durchmesser, Wanddicke, Neigungswinkel, Koaleszenz Zeit sowie Anzahl und Größenverteilung der ausgeworfen sekundäre Tröpfchen.
In der "Welle Buckel Region" ist die Krone Struktur anders als in der 'Kapillare' und "flach Film Regionen", ebenso wie seine Form regelmäßiger. Es besitzt auch eine dickere Krone-Wand und die Krone Höhe ist höher als die in der 'Kapillare' und "flach Film Regionen" beobachtet. Es gibt auch weniger sekundäre Tröpfchen aus der Felge im Vergleich zu den Kronen gebildet in den anderen Regionen ausgeworfen. Zu guter Letzt wird Koaleszenz länger beobachtet, bevor die Krone von der fließenden Film mitgerissen wird.
In der 'Kapillare Welle' und "Flachfolie Region" basieren auf die Kronen gebildet auch ganz anders auf eine Reihe von Funktionen. Zunächst wurde festgestellt, dass die hintere Höhe der Krone durch die Kapillare Höcker sowie die Umkehrung Strömungsdynamik in der Kapillare Welle Region daher verursacht die Krone gebildet, um aufrechter erscheinen wird. Diese Strömung Umkehr führt den Transport von flüssigen Masse rückwärts die steigert die hintere Höhe der Krone gebildet. Dies ist jedoch nicht auf die flache Filme beobachtet: die Krone ist natürlich in den Flüssigkeitsstrom Richtung und kippt noch weiter mit zunehmender Regekippt. Diese Neigung kann in den vor- und nachgelagerten Enden der Krone beobachtet werden. Im Vergleich dazu auf die Kapillarwellen, als der Film, den Re erhöht wird, den scheint die Rückseite der Krone "aufrechter" in gewissem Sinne ziemlich das Gegenteil, die auf flache Filme beobachtet werden. Die Höhe der Krone auf dem flachen Film ist jedoch höher als die auf die Kapillarwellen durch den Einschluss des Substrats. Außerdem gibt es ein mehr schneller Wirkungseintritt sekundäre Tröpfchen Auswurf aus der Krone Felge auf die Kapillarwellen im Vergleich zu flachen Filme. Schließlich sind weitere sekundäre Tröpfchen auf dem Rand der Krone auf flache Filme als die Kapillarwellen. ausgeworfen.
Zeitliche Entwicklung der Krone zeigt eine schwache Abhängigkeit der Kronendurchmesser auf Film Re in allen Regionen der Strömung. Die schwächsten Abhängigkeit Re wird in der "Welle Buckel Region" beobachtet. In der Flachfolie Region wird die Krone Höhe mit Re als erwartet, da größere Re dickeren Schichten zugeordnet sind, beobachtet. Der Grad der Krone Neigung gegen die Fließrichtung ist auch mit zunehmender Re in den "Flachfolie" und "Wave-hump" Regionen höher; Dieser Effekt scheint jedoch weniger ausgeprägt in der "Kapillare Welle-Region".
In der "Welle Buckel Region" gibt es weniger sekundäre Tröpfchen mit zunehmender re ausgeworfen Es scheint eine etwas schwache Abhängigkeit der Krone Höhe Re, zwar gibt es ein Rückgang in der Krone Koaleszenz Zeit mit zunehmender Re, das ergibt sich aus der erhöhten Geschwindigkeit des fließenden Films auf dem Auftritt der Auswirkungen, die schnell fegt die Koaleszenz Krone vom ursprünglichen Auftreffpunkt. Außerdem gibt es eine Änderung in der Neigung der Krone in der Welle Buckel Region je nach Wettbewerb zwischen die Trägheit der auftreffenden Tropfen und der fließenden Film. Bei niedrigeren Re, die Krone schaut in die nachgelagerten Richtung, während bei höheren Re -Werten, es blickt auf den vorgelagerten (Abbildung 7). Dieser Trend ist nicht in der "Kapillar-Welle" und "Flachfolie Regionen" beobachten.
In der Kapillare Welle Region werden weitere sekundäre Tröpfchen bei niedrigeren Rebeobachtet. Es gibt auch eine Zunahme der Gesamthöhe der Krone mit Re, und am unteren Re, Tröpfchen Auswurf ist vor allem der streamwise Richtung (mit der Krone Felge vorne als hinten höher und auch mehr in Richtung der streamwise gekippt Richtung). Die Höhe wird mehr symmetrisch in höheren Re, die geglaubt wird, um durch die ausgleichende Wirkung der höheren Höcker werden welche Kapillarwellen an ihrer Rückseite besitzen, damit balancing-off die Krone Felge Höhe hinten.
Mit dem Weber-Effekt, kann beobachtet werden, dass mit zunehmendem erhöht sich der Kronendurchmesser in einem größeren Ausmaß wird; die größte Rate ist die "Welle Buckel Region" zugeordnet. Weitere Unterschiede in der Anzahl und Größenverteilung der ausgeworfene sekundäre Tropfens in diesem Spritzwasser Regime sind in Abbildung 8 und Abbildung 9, bzw. angezeigt. Eine Zusammenfassung dieser Ergebnisse ist in Tabelle 2dargestellt.
Abbildung 1: experimentelle Rig. (A) schematische Darstellung der experimentellen Manipulation, bestehend aus der fallenden Film Unit für den Fluss der Flüssigkeitsfilm auf einer geneigten Glassubstrat; ein Film-Steuereinheit (bestehend aus ein Magnetventil angeschlossen über ein Relais nicht selbsthaltend über Erwerb Datenkarte und Funktionsgenerator der automatisierten Signal öffnen und Schließen des Magnetventils sendet); eine Spritzenpumpe verwendet für die Erzeugung von Tröpfchen kontrollierte Größen von berechneten Höhen über die filmoberfläche und einer Highspeed-Kamera für digitale Bildbearbeitung. Die erzielten Ergebnisse werden auf dem Computer analysiert. Mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry reproduziert von Adebayo & Matar 201715 . (B) eine bildliche Ansicht des Rigs. (C) - (D) bildliche Beschreibung der Lichtinszenierung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: Wirkung von Film Kontrolle auf Welle Entwicklung Dynamik auf einem fließenden Flüssigkeitsfilm. (A) Abbildung Bild der filmoberfläche vor Film Kontrolle. Der Film zeichnet sich durch die Anwesenheit der sich entwickelnden natürlich Wellen die stochastische Natur und unregelmäßig räumlich-zeitliche Dynamik aufweisen. (B) Schattenabbildung Bild von der filmoberfläche nach zwingen. Die Wellen sind raumzeitlich regelmäßig und vorhersehbar, Rendering-Beiträge aus der räumlichen Struktur Auswirkungen fallen leicht zu studieren. (C) einsame Wellenbildung auf einem kontrollierten fließenden Flüssigkeitsfilm Hervorhebung der verschiedenen Regionen auf der Film Oberfläche nämlich Kapillare Welle, Flachfolie und Wave Buckel Regionen. (D) Magnified Blick auf eine einzigartige Wellenstruktur zeigt das Strömungsprofil in jeder Zone. Mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry reproduziert von Adebayo & Matar 201715 . Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: räumliche Auflösung bei 5000 fps. Mit einem Substrat Neigungswinkel des 15˚ errechnet die Ortsauflösung 67,5 µm/Pixel und 46,6 µm/Pixel in die streamwise und spanwise Richtungen betragen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: Auswirkungen der Film Kontrolle über das Ergebnis der geringe Trägheit fällt Auswirkungen auf die verschiedenen Regionen eines kontrollierten fließenden Film, eine unkontrollierte Film kontrastiert. Die Tröpfchen Fallhöhe beträgt 0,005 m, Tropfengröße ist 3,3 mm, Filmempfindlichkeit ist 5 x 10-3 m3/s, Frequenz zu zwingen ist 2 Hz, entsprechend Film Re 166,5, fallen wir 3.134 und Oh 0.0021. Die Tropfen nähert sich die filmoberfläche (a) und Kontakt (b), löst die Entwässerung der dazwischen liegenden Luftschicht zwischen ihm und dem Film. Diese Ergebnisse in der Verformung der Tropfenform und eine radiale Ausbreitung der Kapillare Wellen auf der filmoberfläche initiiert am Auftreffpunkt (c-d). Sobald die Luftschicht gebrochen ist, ist ein Zusammenschluss von flüssigkeitstropfens mit flüssigkeitsfilms beobachteten (e) und ein vertikales Wachstum zylindrische Flüssigkeitssäule (in Teil-/Gesamt Koaleszenz Fall). Darauf folgt ein Vorfeld Kapillarwellen an der Säule gebildet, die es verlängert. Schließlich ist ein Pinch-off eines Satelliten (g-h), in einem partiellen Koaleszenz Fall beobachtet, die von kleiner Größe bis zum ersten Mutter-Tropfen ist. Eine Wiederholung des Prozesses Koaleszenz wird auch gesehen (i-j). Qualitative Unterschiede sind die Ergebnisse zu beobachten (Prellen oder Schiebe oder partielle Koaleszenz) und das Vorhandensein einer Kaskade gesehen; während quantitative Unterschiede in der Pinch-off-Zeit beobachtet werden, die Größe (Höhe und Breite) der Flüssigkeitssäule gebildet, Größe der ausgeworfene Sat-Tropfen, und die Kaskade Punkte. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: Tröpfchen gleiten auf der Kapillare Welle Region eines kontrollierten fließenden Films. Der Tropfendurchmesser beträgt 2,3 mm, mit einer Fallhöhe von 0,008 m während der Film-Flow beträgt 10 x 10-3 m3/s, entsprechend Oh = 0.0024, wird = 5.014 und film Re = 333, beziehungsweise. Gezwungen wurde bei 2 Hz. (a) Ansatz durchgeführt. (b) Kontakt. (c-f) Rollen Tropfen. (g-h) Klettern den entgegenkommenden einsamen Berg. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6: Wirkung von Film Adressenkontrolle plantschen Phänomene auf die verschiedenen Regionen Auswirkungen auf eine kontrollierte fließenden Film, eine unkontrollierte Film kontrastiert. Der Tropfendurchmesser beträgt 3,3 mm, mit einer Fallhöhe von 0,25 m während der Film-Flow Rate ist 5 x 10-3 m3/s, entsprechend Oh = 0.0021, wird = 224.8 und film Re = 166,5, beziehungsweise. Zwingen, erfolgte bei 2 Hz. Die flüssigkeitstropfens nähert sich die filmoberfläche (a) und sofort auf Kontakt (b), entwickelt eine Auswurfmaterial Blatt, das in einer Krone (c) wächst. Die wachsenden Krone (d-e) später Erträge zu einer Rayleigh-Plateau Instabilität führt zu den Auswurf der kleinere Tröpfchen von der Felge (f-j). Die Krone danach bricht zusammen und verschmilzt mit dem Film (k), wird durch die entgegenkommende Strömung abtransportiert. Die einzigartige Unterschiede im Ergebnis Auswirkungen auf die einzelnen Regionen Auswirkungen sind in der Größe (Höhe und Durchmesser) der Krone gebildet, Nummer gesehen und Größenverteilung der ausgeworfene sekundäre Tropfen, der Grad der Krone kippen, Wandstärke, Krone in Fahrtrichtung und Uhrzeit der letzten Koaleszenz. Mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry reproduziert von Adebayo & Matar 201715 . Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7: Wirkung des Films Reynolds- and -Drop Weber auf Krone Ausbreitung in der "Welle Buckel Region'. Die Tropfengröße ist 3,3 mm, entsprechend Oh = 0.0021 und die Tropfen Herbst Höhen war variiert von 0,20 bis 0,35 m (entsprechend wird = 179.8-314.7) während Re im Bereich von 55,5 bis 333 ist. Die roten Diamanten zeigen Ergebnisse mit der Krone flussabwärts Richtung während der blauen Diamanten stromaufwärts gerichteten Krone Ergebnisse zeigen. Die Krone-Neigung ist der Wettbewerb zwischen der Trägheit der auftreffenden Tropfen und der fließenden Film betroffen. Insbesondere bei niedrigen Re, die Krone in die streamwise Richtung geneigt ist aber wie die Trägheit des fließenden Films an Bedeutung gewinnt, die Richtung ändert und Gesichter stromaufwärts. Diese Krone stromaufwärts gerichteten Richtung bleibt über einen Re -Wert von ca. 250 unabhängig von der Größe der wird. Mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry reproduziert von Adebayo & Matar 201715 . Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8: Veränderung der Anzahl der sekundären Tröpfchen aus der Krone-Felge in den Regionen unterschiedliche Auswirkungen eines kontrollierten Films (nämlich 'Kapillare Welle', "Flachfolie" und "Welle Buckel" Regionen, gezeigt von links nach rechts, bzw.) ausgeworfen kontrastiert gegen eine unkontrollierte Film. Die Tropfengröße ist 3,3 mm entsprechend Oh = 0.0021 und der geringeren Höhen haben wurden variiert von 0,20 bis 0,35, wodurch Aufprallgeschwindigkeiten innerhalb des Bereichs 1.981 2.621 m/s (entsprechend wird = 179.8-314.7). Die roten Rechtecke zeigen Herbst Fallhöhe von 0,35 m, grünen Diamanten 0,3 m, die blaue Kreise 0,25 m und der Orange Quadrate bzw. 0,2 m. Die Zahl der ausgeworfene sekundäre Tropfen mit Tropfen wir in allen Regionen während einer ungleichmäßigen Trend wird mit Film Re Anstieg beobachtet: auf der Welle Buckel, gibt es eine Abnahme in der Zahl der ausgeworfene sekundäre Tropfen während des Kapillaren Welle und Wohnung Film von Regionen, gibt es ein leichter Anstieg. Ein erfrischendes Bad ist um den Film Re 166,5 für die Kapillare Welle, die als Ergebnis des Wettbewerbs zwischen den tangentialen Geschwindigkeiten des Tropfens und der Film tritt bemerkt. Die unverhältnismäßige Trend beobachtet die unkontrollierte Filme wird geglaubt, um durch die stochastische Natur der Wellen auf der filmoberfläche entstehen. Mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry reproduziert von Adebayo & Matar 201715 . Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 9: Wirkung von Auswirkungen Region auf die Größenverteilung der ausgeworfene sekundäre Tropfen auf eine kontrollierte Film kontrastiert eine unkontrollierte Film. Die Tropfengröße ist 3,3 mm, während der Film-Durchfluss 5 x 10-3 m3/s entspricht einem Film Re von 166,5- and -Drop Oh 0.0021 ist. Die Fallhöhen Herbst sind 0,2, 0,25, 0,3 und 0,35 m entspricht wird 179.8, 224.8, 269.8 und 314.7 beziehungsweise. Auf der Kapillare Welle, die Form der Verteilung ist weitgehend unverändert mit Weber Zahlzunahme aber eine deutliche Zunahme der Anzahl der Tropfen des Bereichs 0,5 bis 1,0 mm. Auf die flache Filme die Größenverteilung wird beobachtet, um von 0 bis 2,0 mm variieren, und eine Verschiebung in Richtung 0 bis 0,5 mm große Tropfen beobachtet, wie die Weber-Zahl erhöht wird. Diese Zunahme der Zahl von kleinen Tropfen ausgeworfen unterscheidet deutlich Flachfolie Region aus den anderen Regionen. Auf der Welle Buckel zeigt die Größenverteilung, dass große Tropfen im Bereich (1,0 bis 2,0 mm) schon bei den kleinsten Weber untersucht ausgestoßen werden. Im Gegensatz zu den oben genannten aufweisen die Tropfen Größenverteilung, verbunden mit einem unkontrollierten Film eine spürbar klare Form aufgrund der stochastischen Natur der Wellen auf solche Filme nicht. Mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry reproduziert von Adebayo & Matar 201715 . Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
| Parameter | Kapillare Welle region | Flachfolie region | Wave-Buckel-region |
| Apex-Höhe der Flüssigkeitssäule | Kurze | Medium | Hoch |
| Größe der Sat-Tropfen | Kleine | Durchschnitt | Große |
| Kaskade-Existenz | Seltene | Ja | Keine |
| Wirkung von Re zu erhöhen | Schiebe-Phänomene | Springenden Erscheinungen | Übergang zur totalen Verschmelzung |
| Wirkung der Erhöhung der wir | Rückgang der Säulenhöhe | Zunahme der Säulenhöhe | Zunahme der Säulenhöhe |
| Wirkung von Oh verringern | Reduzierte Drop verschieben | Längere und breitere Spalten Tropfen größeren Satelliten | Übergang zur totalen Verschmelzung |
Tabelle 1. Parametrische Unterschiede auf trägheitsarme Droplet Auswirkungen Dynamik in verschiedenen Regionen eines kontrollierten fließenden Films.
| Parameter | Kapillare Welle region | Flachfolie region | Wave-Buckel-region |
| Kronenform | Unregelmäßige | Unregelmäßige | Regelmäßige |
| Höhe der Krone | Hoch | Höhere | Höchsten |
| Krone-Wandstärke | Dünne | Dünner | Dicke |
| Anzahl der sekundären Tropfen | Mehr | Die meisten | Wenig/keine |
| Krone Neigungswinkel | Mit dem Film Re reduziert | Steigt mit dem Film Re | Kehrt über Re 250 |
| Koaleszenz Zeit | Schnell | Langsam | Mehr verzögert |
| Wirkung des Films Re erhöhen | Krone wird "aufrechter" | Zunahme der Krone Höhe, steiler Krone-Neigung in Richtung Film, | Abnahme der Anzahl der sekundären Tropfen, Veränderung der Krone gerichtete Richtung jenseits Re 250 |
| Wirkung der Tropfen Weber Erhöhung | Früher Beginn und Erhöhung der Anzahl der sekundären Tropfen und Erhöhung der Kronendurchmesser. | Anstieg der Anzahl der sekundären Tropfen, Krone Höhe und Kronendurchmesser; Abnahme der Größe der sekundären Tropfen | Anstieg der Anzahl der sekundären Tropfen, Krone Höhe Kronendurchmesser, Koaleszenz Zeit und Krone gerichteten Richtungsänderung. |
| Wirkung der Tropfen Oh Abnahme | Erhöhung der Kronendurchmesser und Höhe | Erhöhung der Kronendurchmesser und Höhe | Erhöhung der Kronendurchmesser und Höhe |
Tabelle 2. Parametrische Unterschiede auf hohem Trägheitsmoment Tröpfchen Auswirkungen Dynamik in verschiedenen Regionen eines kontrollierten fließenden Films (das Spritzwasser Regime).
Discussion
In diesem Abschnitt stellen wir ein paar Tipps notwendig um sicherzustellen, dass qualitative Ergebnisse erzielt werden, aus dem Protokoll. Erstens das Glassubstrat auf dem Flüssigkeitsfilm fließt komplett schmutzfrei dazu die Eigenschaften des flüssigkeitsfilms gehalten werden müssen bleiben kompromisslose. Dies ist möglich durch regelmäßige Reinigung (wahrscheinlich mit Hilfe eines geeigneten Reinigungsmittels und wischte über ein Tablett, Auflösung in das System zu vermeiden). Ebenso sollte eine regelmäßige Erneuerung der ganze Test-Flüssigkeit nach einigen experimentellen Runden, um exakte Ergebnisse zu gewährleisten.
Zweitens muss die Flüssigkeit verteilerkammer gut vernetzten und auch luftdicht um sicherzustellen, dass das abfließende Flüssigkeitsfilm einheitlich gehalten. Dies kann manuell Absaugen Luft aus dem Verteilerkasten vor jedem Experiment. Die Verwendung von Mikrometer-Schritten am Film Einlauf ist auch ratsam, auf die Lücke-Höhe am Film Einlass die genaue Schichtdicke vorhergesagt durch die Nusselt-Schätzung der Film Strömung an die entsprechenden Reynolds-Zahl eingestellt. Dies verhindert einen hydraulischen Sprung oder Rückfluss am Einlass.
Der Betrieb des Magnetventils muss immer auch geprüft und ordnungsgemäß festgestellt. Und zwar deshalb, weil eine entsprechende Pulsation des Flusses erforderlich ist, um die Produktion der erzwungenen Wellen zu gewährleisten. Dies könnte von der regelmäßigen klickendes Geräusch das Magnetventil sowie eine wahrgenommene Pulsation entlang der Anschlussrohre überprüft werden. Der flüssigen Durchfluss in die Spritzenpumpe muss auch sorgfältig eingestellt werden, um sicherzustellen, dass die Tropfen in gewissem tropft, Vermeidung von Pre-Beschleunigung vor dem ausgestoßen werden.
Entsprechende Kalibrierung der High-Speed-Kamera muss gewährleistet sein, um sehr genaue Ergebnisse zu erhalten. Die Blende muss auch unter Berücksichtigung von Parametern wie der Schärfentiefe, Belichtungszeit und Gesamthelligkeit des Bildes sorgfältig gewählt werden. Für die Kamera, während der Videoaufnahme auslösen müssen die Benutzer auch zu schätzen, wie viele Frames vor Auslösung aufgezeichnet werden soll. Dies kann mit Einzelpersonen, abhängig von der Drop Auswirkungen variieren, daher mehrere Test Tests zum üben vor dem tatsächlichen Messungen empfohlen werden. Ebenso muss die Lichtquelle richtig angeordnet und gut diffuse Schatten im Bild zu minimieren.
Es ist wichtig zu beachten und nicht vergessen, dass der Schwerpunkt der Studie die Beiträge von Wellen, um die Auswirkungen Dynamik der fallenden Tropfen, daher ist die Bildung von regelmäßigen Welle Strukturen wichtig, eine genaue Untersuchung der zugrundeliegenden Physik. In Szenarien, wo die Welle Strukturen schnell Übergang zum dreidimensionalen Strukturen beobachtet werden, ist es ratsam, dass der Neigungswinkel Substrat reduzierte14,19 , einen langsameren Übergang von der Welle Strukturen zu erleichtern werden .
Eine Einschränkung der Technik wird in Ermangelung eines Messgerätes, die Angabe der tatsächlichen momentanen Schichtdicke auf jede Region Auswirkungen beobachtet. Dies würde zusätzliche Details auf die insgesamt beobachteten Phänomene zur Verfügung gestellt haben.
Zusammenfassend lässt sich sagen kann das in diesem Bericht beschriebenen Verfahren auch verwendet werden, um einfache Welle Entwicklung Dynamik, zu studieren, während die High-Speed-imaging-System beschrieben auf viele Forschungsfelder mit schnelle Dynamik wie flüssigkeitstropfens Auseinanderbrechen21, angewendet werden können 22/coalescence23, granulare Düsen24, etc. wo wichtige Phänomene an einem Mikro Zeitrahmen eingehalten werden.
Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verzollen.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der Erdöl-Technologie-Entwicklungsfonds (PTDF, Nigeria) und das Engineering und Physical Sciences Research Council, UK, durch das Programm Grant MEMPHIS (Grant-Nummer EP/K003976/1) gesponsert. Die Autoren schätzen auch fruchtbare Gespräche mit 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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