Summary
液滴衝撃流れる液膜による波の貢献を研究するためのプロトコルが表示されます。
Abstract
液滴衝突は自然でとても共通の現象をその審美的な魅力と幅広い用途のため注目を集めています。これは最近ドロップ影響動態に大きな影響を持っている示されている間、流れる液膜に関する先行研究は影響結果に波の空間構造の貢献を無視しています。本報告では、我々 は定期的な入口をドロップ影響ダイナミクス正規時空波構造の生産につながる流れる液膜の強制の効果を調べるためのステップバイ ステップの手順を概説します。電磁弁に関連して関数発生器を使用して、制服サイズの液滴の衝突ダイナミクスは高速カメラを使用してキャプチャされます間膜表面のこれらの時空通常波の構造を刺激します。3 つの領域検討;すなわち大きな波のピーク、フラット フィルム地域および波こぶ地域の毛管波地域。レイノルズ、フィルムなど重要な無次元量の効果ドロップ ウェーバーと Ohnesorge 番号フィルム流量、速度、ドロップ、ドロップ サイズによってパラメーター化も検討します。面白い、これまで未知ダイナミクスによってもたらされる両方の低と高慣性降下を流れる映画のフィルム入口強制のこのアプリケーションが分かった。
Introduction
液滴衝突は自然でとても共通の現象を好奇心観察1から注目を集めています。スプレー冷却、火抑制、インク ジェット印刷、スプレー塗装、蒸着プリント基板上はんだバンプの内部燃焼エンジンの設計を含む、多数のアプリケーションのための活発な研究領域を構成します。表面洗浄、およびセル印刷2。そのアプリケーションは、農業、例えば灌漑と作物の3、4を噴霧散水にも拡張します。ワージントンの5主要な進歩だけ最近なされた高速イメージング6の出現により、仕事と、19 世紀に先駆的な仕事のさかのぼる。それ以来、いくつかの研究を行った。異なったタイプの固体7,まで8、浅い、9と深い液体プール10,11薄膜12,13衝撃表面を使用してください。
しかし、にもかかわらず、大量液体表面 (すなわち、浅いと深いプールと静止膜) 液滴衝突に関する研究の流れる液体薄膜への影響には注目の受信していません。さらに、これまで、研究は、液滴衝撃力学波の空間構造の貢献を無視しています。
本報告で提案する液体流量; の入口-強制することによって影響を受けているダイナミクスが流れる映画の液滴衝突過程を調査するための詳細な実験手順以下、それらを '制御' 映画と呼びます。我々 は見つける (例えば、冷却塔、蒸留塔でとも環状流領域における二相流の観測) の多業界で多数のアプリケーションがあるこれら膜制御の重要なステップとなっている、特にとして、熱・物質移動多くプロセス産業14激化。興味を持った読者は、これに私たちの研究努力の結果の詳細について、以前作業15呼ばれます。
吸気流量の振動のこのアプリケーションは、フィルム表面に定期的に波が形成に結果します。我々 は孤立波の家族は、本質的に広く区切られた狭いピークによって特徴付けられる、率いている毛管波16,17,18のシリーズが先行に焦点を当てます。孤立波の構造の 3 つの主な部分に関連付けられている影響の結果を研究: 'フラット フィルム'、'波こぶ、および不備の毛管波の領域。私達はまた自由な流れる映画に関連付けられたこれらの結果を対照的です。自由なフィルム上の波の出現の確率論的性質が著しくも我々 が新しいメカニズムを示す制御フィルムの別の領域に落下衝撃応答の結果に影響を与えることが分かった質的両方の詳細と定量的。
以前紙15、同じプロシージャを使用してを研究したしぶき政権における液滴衝撃力学フィルム制御の効果。得られた結果は、放出の二次液滴の数とサイズの分布だけでなく、(高さ、径、壁の厚さ、傾き角度と方向) クラウン形態の定量的および定性的な違いを示した。
このレポートで述べる液滴衝突ダイナミクスともはね政権のみならず液滴の他の結果の知見の現在の簡潔な詳細でこれらの空間の構造の重要な役割を理解するために設計されたセットアップ衝撃 (すなわちバウンス、スライディング、全合体)。以下の標準的なプロトコルに従うことによってフィルム液滴衝撃運動制御の効果は再現可能な方法で学ぶことができます。
Protocol
1. 試験リグのセットアップ
注: は、図 1を参照してください。
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落下フィルム ユニット
- 清潔なやわらかい布で基板 (ガラス) 表面の掃除から始めます。液体のプロパティの変更がその表面に汚れが付着しないことを確認します。
- 必要な傾斜の角度にガラス基板のピボットを設定します。Β 15 ̊ の傾斜角度は、この作品で使用されました。
- 電動ポンプに切り替え、さらにガラス基板をきれいにする膜表面の通常の液体の流れを確保します。この作品は、テスト液は脱イオン水です。
- 接液部基板の表面全体を確認します。
- 流量計を使用してフィルムの流量を測定します。この仕事のため流量に変化させた x 10-3 1.667 と対応するフィルム レイノルズ数Re = ρq10 x 10-3 m3/s/wµ55.5% と 333 の間で及ぶ。wは、落下フィルム幅、0.30 m です。
- ガラス基板上に所望の流量を取得するフローの接続バルブを徐々 に調整します。
- 配布室にフィルム入口または空気の逆流で油圧ジャンプを避けるために選択した流量の対応するヌセルト フィルム厚さの値にフィルム入口マイクロ ステップのセットを調整します。
- 手動でフィルム表面に一様流は下流を取得する配布室のすべての空気を吸い上げます。
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フィルム コントロール ユニット
- 関数発生器はデータ集録カード (DAC) を介して非ラッチ型リレーを介してソレノイド バルブに接続されていることを確認します。
- 電磁弁と関数発生器に切り替えます。
- 関数発生器を強制目的の周波数に設定します。この作品は、2、3 Hz の周波数が使用されていました。
- 希望波信号 (正弦波、ノコギリ波、方形波など) を選択します。この作品は、正弦波信号が使用されていました。図 2Aおよび2B自由な映画と制御された映画との対比を示します。
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液滴生成システム
- 水で満たされた注射器にきれいなプラスチック製のチューブを取り付けます。
- 液滴形成配列装置シリンジに挿入します。
- (希望の液滴径) によって選ばれたサイズの注射針をプラスチック製のチューブのもう一方の端に貼付します。勉強した液滴径 0.0023 に 0.0044 m 間であった。
- フィルム表面上のドロップの落下高さを調整します。この作品は、ドロップの落下高さが 0.005 から 0.30 ± 0.02 - 2.96 ± 間の影響の速度を与える、0.45 メートルに変化させた 0.06 m/s。
- 同様に、フィルムの入口からドロップの縦衝撃点を設定します。これは波が影響する前に整形式ことを確認するこの作品で 0.3 m に設定されました。
- シリンジ ポンプで必要な流量を設定します。
- フィルム表面に形成された波の波長より大きい液滴発生頻度を達成するために流量を調整します。滴は連続制御フィルムのさまざまな地域に影響を与えるようにします。図 2; を参照してください。各地域19,20の下に流れプロファイルの相違を表示する図 2 Dの特異な波形の拡大。
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高速イメージング セットアップ
- 三脚スタンド (または他の適切な配置) にカメラを配置します。
- 希望の焦点距離のマクロレンズを選択し、これをカメラに接続します。
- 高速カメラを切り替えるし、フィルム表面に直接フォーカスを確保します。膜表面にそれぞれ 7 と 12 ̊ 水平および垂直偏差でカメラの位置を合わせます。これはそれぞれ 67.5 μ m/ピクセルと縦とスパン方向の 46.6 μ m/ピクセルの解像度をもたらす影響過程の優れたサイドビュー画像を与えます。
- スポット液滴衝突正確に置かれた校正項目を使用して (大口径) でカメラのレンズのフォーカスを調整します。
- シャープなフォーカスを取得すると、カメラに入る光量が少ないように開口部を減らします。
- 目的のフレーム レート、解像度、高速カメラのシャッター スピードを設定します。5000 fps、800 x 600 の解像度、フレーム レート絞りのサイズは 1/16、1 μ 秒のシャッター スピードは、この作品で使用されました。
- 光は均一にイメージングの領域にわたって拡散して図 1のように、光源の前に光の拡散を配置します。
- イメージングの領域上の光の均一広がりを確認する光源の電源を入れます。
2. 校正
注: は、図 3を参照してください。
- (正確に衝撃のスポット) フィルムの流れ方向に定規を置くし、膜表面の計測ポイントのスナップショットを取得します。
- 繰り返し 2.1 がスパン方向の定規。
- 上記を使用して、フィルム表面に空間解像度を取得します。
3. ビデオの録画やデータ集録
- リグ上の液膜流れが確立されると、シリンジ ポンプを起動し、フィルム表面に滴る水滴の影響を観察します。
- 関数発生器を起動し、膜表面の時空波の製造工程を見学します。
- 制御膜表面のさまざまな地域に影響を与えている連続の低下を確認します。
- フレーム番号と、この設定の後トリガーを観察への影響を適切にキャプチャするビデオの長さの約半分。
- 光源の電源を入れ、影響が発生すると、イメージのキャプチャ トリガー。
- イメージのキャプチャが完了液膜の過熱を避けるために光源の電源。
- コンピューターの画面に取得したスナップショットを視覚的に分析します。こぶ地域で煽りますフラット フィルム、毛管波のいずれかの影響が発生したかどうかを確認してください。
- 影響を与えるプロセスを示す部分にビデオをトリミングし、ビデオ/画像形式でフレーム範囲を保存します。
- Viz.孤独なこぶ、毛管波、フラット フィルム膜表面のすべての地域に 3.5 3.8 とレコードの個別の影響を繰り返します。
4. 画像の後処理と分析
- ビューのフィールドに定規を置き、どのように多くのピクセルが収まる間で 1 cm. キャリブレーション イメージを使用してカウントすることにより空間分解能を計算、画像寸法測定のスケール ファクターを取得します。
- 高速画像から別の影響領域に影響を与えるプロセスの結果を比較します。顕著な違いを確認します。
- 影響プロセスの製品の特性を測定する適当な MATLAB 画像処理ルーチンを使用して: しぶきですなわち、クラウンの高さ、直径、壁の厚さを測定、傾斜角度、クラウン側方向、数とサイズ噴出の二次液滴の分布。
- 低-ウェーバーの影響のため上記 4.3 として同様の定量分析を行います。衛星のピンチ ・ オフ時間のカウント時間フレームの画像から削除し、頂点の長さとセカンダリ滴のピンチを前に部分的な合体に形成された列の幅を測定します。噴出の二次液滴のサイズを測定します。繰り返しピンチオフ工程におけるカスケードの数をカウントします。
- 各地域ですべての質的な相違を観察します。
Representative Results
基本的には、影響の 2 つのカテゴリを検討しました。初めての低慣性と滴の (すなわち、ドロップ ウェーバー数 (我々d= ρdu2/σ) 滴高慣性 (i.e.,Wed 94 に 539) は、2 番目の 24.0 3.1 に至るスプラッシュ結果に終って。同じ実験方法ただし、両方の調査に続いた。研究で使用される他の関連の無次元量を含める映画レイノルズ数 (Re = ρq/wµ55.5% と 333 の間で及ぶ)、フィルム ウェーバー数 (我々= ρhNuN2/Σ, 0.1061 と 2.1024 の間で及ぶ)、ドロップ Ohnesorge 数 (オハイオ= μ/(ρσd)1/2まで、0.0018 と 0.0025 間)、カピッツァ数 (Ka = σρ1/3/g1/3µ4/3、水 3363 に計算された)。ヌセルト膜厚 (hN = [(3μ2日時)/(ρ2gsinβ)]1/3) 4.034 10-4 10-4 m x 7.328 に x の範囲を示したがヌセルト中フィルム速度 (uN = ρgsinβhN23μ) 0.1376 0.4545 m/s の範囲を示したが。Qは 0.001667 と 0.01 m3/s の間で様々 なフィルム流量式上記のすべてのΒは水平; 15 ̊ 固定基板傾斜角度です。μとρは、粘度と密度、それぞれ 0.001 Pa s と 1000 kg/m3と見積もら水のΣは表面張力力 (0.072 N/m);g は重力 (9.81 m/s2)。
低慣性の影響で、傾向、少し類似した (図 4)、出展者はっきりと違いの数が。波こぶ地域で生産された衛星ドロップのサイズは影響の他の地域に比べて大きく常に、最初に、それ一般に気づいた。振り返ってみると、反対側は、毛管波地域真発見されました。サテライト滴いつも非常に小さかった。これは、影響を与えるドロップによって生成される放射状の波になる存在のキャピラリー波紋によって抑制されるために発生します。結果として、さらにドロップを垂直方向に伸長する波伝搬が抑制され、細長い列から唯一の小さな二次液滴の吐出にその可能性を十分に長い縦の列をそれにより開発ことリードを失ってドロップの結果形成されます。また、他の地域に比べて波ハンプのカスケードの傾向は減ったくらいが観察されました。すべての場合, エマルションの製品、ほとんどフラット フィルムの中に、別の部分的な合体を経験を 3 〜 4 人に観察されます。列の高さが高いとほとんど他の地域と比較して波こぶ領域に流れ方向に傾斜する認められました。
影響の他の地域と比較してフラット フィルム地域、バウンス結果の傾向の増加があります。これは強力な潤滑力を発揮ドロップ ドロップとの合併を防ぐフィルムの間の空気層の排水/間伐が遅く、この薄いフラット フィルムでのため発生します。これは、観測された液滴の変形だけでなく、最終的なリフトオフ結果します。比較では、波こぶへの影響は (毛管波の地域で見つかった) と既存の波の不在、フィルムの厚さもあって、部分の合体により傾向があり、フロー循環流による削減潤滑力の最後にこの地域では。これらは累積的その他の地域で作り出されるそれらよりもむしろ長い列生成の結果します。
液膜流量 (すなわち、フィルム日時) の増加と毛管波への影響は、しばしば合併せず毛管波のドロップの穏やかなスライドの結果 (図 5 a-5 hを参照してください)。このローリング ドロップ (図 5 d-5f)、そして後で登って来るの孤独なこぶ (図 5 g 、5 h) それは部分的な合体 (表示されません) を経験します。ただし、バウンス モードを支持する安定したエマルションからフラット フィルム地域への影響の結果が変わります。毛管波の影響の場合フィルム日時の増加は、「クッション」ドロップ「乗った」、したがって滴の観測のスライドとしての行動もっと密接にピークの毛管波に導いた。少なくとも日時でドロップ オフ非常に迅速な摘心は通常観察される (サイズの 90% の初期ドロップ)、フラット フィルム地域にそれは後でマージし、正常部分の合体の結果前にいくつかの「ダンス」のモードが発生してこのドロップで。これは、しかし、制御されたフィルムの他の地域で観察されなかった。
ドロップの増加と我々d、列の高さがフラット フィルム地域の両方を増加、波こぶが毛管波領域の減少が観察されました。
最後に、ドロップのサイズの増加と長く、広い列は順番より大きい衛星の低下をもたらしたフラット フィルム領域に観察された.しかし、これは観察されなかった波ハンプの総合体への移行が認められた代わりに、します。毛管波のドロップ サイズの増加は部分的な合体に移行とドロップの減らされたスライドにつながった。最大のドロップは、ただし、総合体にほとんどすぐに屈した。これらの結果の概要は、表 1に示した。
を超えて液滴速度 1.70 ± 0.03 m/s、スプラッシュ結果は膜表面 (図 6) のすべての 3 つの領域で観察されます。ただし、同様の結果が観察ものの同様このレジームでは、顕著な違いは数と同様、クラウンの形成-その高さ、径、壁の厚さ、傾斜角、合体時の形態で観察される、サイズ分布が取り出されます二次液滴。
'波こぶ region' の樹冠構造とは異なって「毛細管」と 'フラット フィルム地域'、その形状はより規則的。それはまた厚いクラウン壁を所有している、'キャピラリー' と 'フラット フィルム地域' で観察されたものより高いクラウンの高さ。またその他の地域で形成された冠と比較してその縁から放出される少数の二次液滴があります。最後に、王冠は流れるフィルムで一掃する前に、長い合体時間が観察されます。
'毛管波'、'フラット フィルム region' で形成された冠もかなり異なっている機能の数に基づいています。まず、クラウンの後部の高さはキャピラリーのこぶとしてクラウンより直立に形成の原因となるこの「毛管波地域' で流反転ダイナミクスによって影響を受けることが観察されました。この流れの逆転は液体の質量により形成されたクラウンの後部高さ後方の輸送の結果します。、これはしかし、フラット フィルムの観察はされなかった: 王冠が液体の流れ方向とReの増加とともにさらに傾斜で傾いている自然。この傾きは、クラウンの上流と下流の両端で観察できます。比較、毛管波日時を増加すると、映画としてのクラウンのリア側がまったく逆なフラット フィルムの観察方法で 'まっすぐ' になること表示されます。フラット フィルムにクラウンの高さはしかし、基板の閉じ込めのため毛管波のそれより高い。また、フラット フィルムと比較して表面張力波には、クラウンのリムからの二次液滴吐出のより急速な発症です。フラット フィルムの上に王冠の縁に毛管波.のそれよりより多くの二次液滴を排出する最後に、
王冠の変遷は、映画の流れのすべての地域で日時の冠直径の弱い依存性を示しています。日時の最も弱い依存性は、'波こぶ region' で観察されます。フラット フィルム地域として日時とともに増加する予想、大きい日時の厚いフィルムと関連付けられているためにのクラウンの高さを観察します。クラウン流れ方向に向かって傾斜の度合いが高い 'フラット フィルム' と '波こぶ' 地域の日時が高まるもこの効果は、以下の '毛管波領域' の発音するただし、表示されます。
'波こぶ region' Re.とともに排出少ない二次液滴があります。再影響が発生しているが流れる映画の速度の増加の結果であるとともにクラウン合体時間の減少がある一方、日時クラウンの高さのやや弱い依存性をするようです。すぐに元の着弾点から合体のクラウンを掃引します。また、影響を与えるドロップの慣性と流れる映画の間の競争によって '波こぶ region' でクラウンの傾きの変化があります。低い日時で王冠下流方向に直面している日時値が大きいほど、それに直面上流 (図 7)。この傾向は '毛管波' と '領域はフラット フィルムで見られない。
毛管波地域でより多くの二次液滴は低い日時で観測されました。日時、全体的なクラウンの高さの増加があるし、低い再液滴吐出は (クラウン縁後部より前部でより高い、縦に向かってよりも傾斜で縦方向に主に方向)。高い日時、どの表面張力波を後方に持っている高いこぶのバランスの影響の結果としてと考えられますが、それにより分散をバックでクラウン リムの高さで対称が高さになります。
ドロップ ウェーバー効果で観測できる冠直径が増加とともに大きい率で増加我々d;最大速度は、'波こぶ region' に関連付けられます。数にそれ以上の相違がみられるし、この政権はしぶきで噴出二次液滴の粒径分布が図 8と図 9に示すようにそれぞれ。これらの結果のサマリーは、表 2に示されます。
図 1: 実験装置。(A)傾斜ガラス基板上液膜の流れの落下の映画ユニットから成る実験装置,の概略(データ集録カードを介して非ラッチ型リレーや電磁弁の開閉開口部を制御する自動の信号を送信する関数発生器に接続された電磁弁から成る) フィルム コントロール ユニット。デジタル イメージングのための膜の表面と高速カメラ上記の計算高さから制御されたサイズの液滴の生成に使用するシリンジ ポンプ。得られた結果は、コンピューター システムに分析されます。Adebayo ・ マタール 2017年15から、王立化学協会の許可を得て再現。(B)リグの絵のビュー。(C) - (D)配置、照明の画像説明。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: 液膜に及ぼす波進化ダイナミクス制御します。(A)影絵フィルム コントロール前にフィルム表面像映画は、当然のことながら自然の中確率と不規則な時空間ダイナミクスを示す波の進化の存在によって特徴付けられます。強制的に後フィルムの表面の(B)影絵のイメージ。波は、落下衝撃を手軽に学習する空間構造から時空定期的かつ予測可能なレンダリング貢献です。(C)孤立波形成制御流れる液膜フィルム表面すなわち毛管波、フラット フィルム波の別の領域を強調表示にはこぶ地域です。(D)各ゾーン内流速分布を示す特異波構造の拡大鏡ビュー。Adebayo ・ マタール 2017年15から、王立化学協会の許可を得て再現。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 空間分解能 5000 fps で。15 ̊ の基板傾斜角度、空間分解能はそれぞれ 67.5 μ m/ピクセルと縦とスパン方向の 46.6 μ m/ピクセルに計算されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 低慣性の結果の制御の効果が対照的な自由なフィルム制御流れる映画のさまざまな地域に影響を与える値下がりしました。液滴の落下高さは 0.005 m、ドロップ サイズは 3.3 mm、フィルム感度は 5 x 10-3 m3/s、かく乱周波数は 2 Hz、我々3.134 とああ0.0021 ドロップ再166.5 フィルムに対応します。ドロップは、フィルム表面に近づく (a) と連絡先 (b)、それと映画の間にある空気層の排水をトリガーします。ドロップ形状と膜表面の毛細血管の波紋の放射状拡散の変形のこれらの結果は、着弾点 (c ・ d) で開始。空気層が破裂、一度液膜と液体の低下の合併が観測 (e) と (で部分/総合体は) 円筒形液体コラムの垂直成長。その後に、それを伸長する列形成、表面張力波の遡上が続きます。最後に、衛星ドロップのピンチオフが観察される (g ・ h)、初期の母ドロップの小さいサイズは部分的な合体の場合。合体過程の繰り返しが同様に見られている (i j)。質的な相違が観測成果 (バウンスまたは滑りや部分的な合体) とカスケード; の存在に見られるピンチ ・ オフ時間の量的差異が観察される、液体のコラムのサイズ (高さと幅) が形成され、噴出衛星ドロップのサイズ、カスケードのポイントします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 液滴制御流れる映画の毛管波領域のスライドです。液滴径は 2.3 mm、フィルムの流れながら 0.008 m の落下高さ率は 10 x 10-3 m3/s には、オハイオ州に対応する = 0.0024、我々d = 5.014、および日時を映画 333 をそれぞれ =。強制を行った、2 Hz (a) のアプローチ。(b) お問い合わせください。(c)ドロップをローリングします。(g ・ h)対向の孤独なこぶを登山します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6: 自由な映画とは対照的制御流れる膜への影響の様々 な地域での現象を飛散フィルム コントロールによる。液滴径は 3.3 mm、フィルムの流れながら 0.25 m の落下高さ率は 5 x 10-3 m3/s には、オハイオ州に対応する = 0.0021、我々d = 2,248億、および日時をフィルム 166.5 をそれぞれ =。2 Hz で強制することを行った。液体のドロップ フィルム表面に近づく (a) とすぐに接触 (b) に王冠 (c) 成長する噴出物シートを開発します。成長はクラウンにその縁 (f j) から小さい液滴の吐出につながるレイリー-台地の不安定性 (d e) 後利回りです。王冠はその後崩壊し、対向流で離れて運ばれるフィルム (k) に連結。衝撃の個々 の地域の影響結果のユニークな違いはクラウン形成された、番号のサイズ (高さと直径) で見られ、噴出二次滴径分布、クラウンの度傾き、壁の厚さ、クラウンの方向を向いています。最終合体時間。Adebayo ・ マタール 2017年15から、王立化学協会の許可を得て再現。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 7: レイノルズの映画の影響と '波こぶ region' クラウン伝播に関するドロップ ウェーバー 。液滴サイズは 3.3 mm、オハイオ州に対応する = 0.0021 とドロップ秋ハイツ 0.20 0.35 m に変動しても (に対応する我々d = 179.8 314.7)日時が 55.5 に 333 の範囲内。赤いダイヤモンド ブルー ダイヤモンドは上流側のクラウンの結果を表示しながら、下流向きクラウンと成果を描いています。クラウン傾斜は、影響を与えるドロップの慣性と流れる映画の間の競争の影響を受けます。具体的には、 Reが低い場合、クラウンは縦方向に向かって傾斜しますが、流れる映画の慣性を得る重要性、方向変更、上流に直面しています。大きさに関係なく約 250 の日時値を超えるこのクラウン上流向き方向を維持我々d。Adebayo ・ マタール 2017年15から、王立化学協会の許可を得て再現。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 8: 制御フィルム (viz '毛管波'、'フラット フィルム' と 'こぶ波' 領域、左から右へ、それぞれ表示) の異なる影響地域でクラウンの縁から放出された二次液滴の数の変化に対して対照的な制御されていない映画。液滴サイズはオハイオ州に対応する 3.3 mm = 0.0021 とハイツ 0.20 0.35、衝撃速度 1.981 2.621 m の範囲内の結果に変化されてがあるドロップ/s (に対応する我々d 179.8 314.7 を =)。赤い四角形を描く 0.35 m のドロップ落下高さ、グリーン ダイヤモンド 0.3 m、青の円 0.25 m、オレンジそれぞれ 0.2 m の正方形します。映画再増加で噴出二次滴ドロップ我々不均一な傾向ながらすべての地域で増加数を観測: 波ハンプの毛管波とフラットの両方の中に噴出二次滴数の減少があります。映画の地域では、わずかな増加があります。映画ドロップの接線速度と膜の間の競争の結果として発生する毛管波の日時166.5 周りディップが注目されています。自由なフィルム上の不均衡な傾向は、フィルム表面に波の確率的性質の結果として発生すると考えられています。Adebayo ・ マタール 2017年15から、王立化学協会の許可を得て再現。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 9: 制御フィルムの放出の二次液滴の粒径分布に及ぼす影響地域自由な映画とは対照的です。ドロップ サイズは 3.3 mm フィルム流量は 5 x 10-3 m3/s 映画 166.5 アンド ドロップああ0.0021 の日時に対応します。ドロップの落下高さが 0.2、0.25、0.3、0.35 m に対応する我々d 179.8、2,248億、269.8 314.7 それぞれ。毛管波の分布の形はウェーバー数増加ですが範囲の滴数の顕著な増加で大きく変更された 0.5 〜 1.0 mm。ただし、フラット フィルム サイズ分布を 2.0 mm に 0 とは異なるとシフトがみられ, 0 から 0.5 mm 滴ウェーバー数が増加。排出小滴数の増加は明らかに他の地域からフラット フィルム地域を区別します。波ハンプのサイズ分布は, ウェーバー数の最小値、(1.0 〜 2.0 mm) の範囲で大粒を取り出すことを示しています。上記と対照をなして雨滴粒径分布が制御されていないフィルムに関連付けられているは目に見えて異なる形状などの映画で波の確率的性質を表わさない。Adebayo ・ マタール 2017年15から、王立化学協会の許可を得て再現。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
| パラメーター | 毛管波地域 | フラット フィルム地域 | 波こぶ地域 |
| 液柱の頂点高さ | 短い | 媒体 | 高 |
| 衛星ドロップのサイズ | 小さな | 平均 | 大規模です |
| カスケードの存在 | まれな | うん | どれも |
| Reの効果を高める | すべり現象 | バウンス現象 | 総合体に移行します。 |
| 我々増加の効果 | 列の高さを減少します。 | 列の高さを増加します。 | 列の高さを増加します。 |
| Ohの効果を減少させる | スライディング減少のドロップ | 長く、広い列、大きな衛星が値下がりしました | 総合体に移行します。 |
表 1.液滴の低慣性に関するパラメトリック違いダイナミクス制御流れる映画のさまざまな地域に影響を与えます。
| パラメーター | 毛管波地域 | フラット フィルム地域 | 波こぶ地域 |
| クラウン形状 | 不規則です | 不規則です | 正規 |
| クラウンの高さ | 高 | 高い | 最高 |
| クラウンの肉厚 | 薄い | シンナー | 厚い |
| 二次液滴の数 | もっとその | ほとんど | ほとんどなし |
| クラウン角度 | 映画日時とともに減少します。 | フィルム再増加 | 逆に日時250 を超えて |
| 合体時間 | クイック | 遅い | 遅延の詳細 |
| 映画日時の効果を高める | クラウンになるより「直立」 | クラウンの高さ、フィルムの流れ方向に急なクラウン傾斜の増加します。 | セカンダリの滴数の増減、日時250 を超えて冠側方向に変更 |
| ドロップ ウェーバー増加の効果 | 以前発症とセカンダリの滴数の増加とクラウンの直径の増加。 | セカンダリの滴数、クラウンの高さ、クラウン径の増加します。セカンダリの滴のサイズが小さくなり | セカンダリ滴、クラウンの高さ、冠直径、合体時間、およびクラウン向き方向の変化の数が増えます。 |
| ドロップああ減少の効果 | 樹冠直径及び高さを増加します。 | 樹冠直径及び高さを増加します。 | 樹冠直径及び高さを増加します。 |
表 2.液滴の高慣性に関するパラメトリック違いダイナミクス制御流れるフィルム (しぶき政権) のさまざまな地域に影響を与えます。
Discussion
このセクションでは、プロトコルから質的な結果を確保するために必要ないくつかのヒントを提供します。まず、ガラス基板上に液膜流れは液体薄膜の特性を確保するため完全に汚れ自由保たれなければならないは、妥協のない保持されます。これは (おそらく適切な洗剤を使用して、システムに解散を避けるため、トレイの上から抹消) 定期的なクリーニングによって達成可能であります。同様に、正確な結果を保証するため、いくつかの実験的ラウンド後全体のテスト液の定期的な交換が必要があります。
第二に、流体分布の商工会議所は、止水液膜が均一を確認する気密保持もよくメッシュあります。これは、手動で各実験の前にフューズ ボックスの空気を吸い上げることで行うことができます。フィルム入口マイクロメータ手順の使用も対応するレイノルズ数における膜流のヌセルト見積もりによって予測された正確な膜厚にフィルム入口ギャップ高さを設定するのにはお勧め。これは油圧ジャンプまたは入口逆流を防ぐ。
電磁弁の操作も常にチェックして正しく確認する必要があります。これは、流れの適切な脈動強制波の生産を確保するため必要があるためにです。これは、電磁弁と接続パイプに沿って知覚脈動の定期的クリック音からチェックでした。シリンジ ポンプに液体の流量は、水滴が落ちる前に任意の予備加速を回避滴下方法で排出できるように慎重に設定する必要があります。
高速カメラの適切な校正は、非常に正確な結果を得るために保障されなければなりません。開口部の大きさも注意深く選ばれなければならないフィールド、露光時間、画像全体の明るさの深さのようなパラメーターを考慮しました。カメラは、ビデオ録画中にトリガー、ユーザーはトリガーの前に記録されるフレームの数を推定する必要も。これはドロップ影響の時間に応じて、個人個人と異なる場合があります、実際の測定の前に練習のためのいくつかの試用テストを推奨するそれ故に。同様に、正しく配置され、よく拡散イメージのシャドウを最小限に抑えるため、光源がある必要があります。
注意してください、したがって通常波構造の形成は基になる物理学の正確な研究に不可欠な研究の主要な焦点が、落下の衝撃力学波の貢献を覚えていることが重要です。基板傾斜角の減少14,19波構造の遅い転移を容易にすること勧め三次元構造へ迅速に移行する波の構造を観察する場所のシナリオで.
技術の 1 つの制限は、影響の各地域の実際の瞬時の膜厚を指定する測定装置の不在で観察されます。これは全体的な観察された現象の詳細を提供しているでしょう。
このレポートに示された手順は、要約すると、液滴解散21,などの高速ダイナミクスを持つ多くの研究分野に適用できる高速イメージング システムとは、単純な波の進化ダイナミクスを研究するも使用できます。22/coalescence23、粒状ジェット24、マイクロ スケールでの重要な現象の観察、等。
Disclosures
著者申告するものがあります。
Acknowledgments
この作品は、石油技術開発基金 (PTDF、ナイジェリア) と工学物理科学研究会議、英国、プログラム許可メンフィス (許可番号 EP/K003976/1) によって後援されました。著者は、博士 Zhizhao チェに有意義な議論を感謝しています。
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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