Summary
Um protocolo para estudar as contribuições das ondas a dinâmica de impacto da gota em filmes líquidos fluindo é apresentado.
Abstract
Impacto da gota é um fenômeno muito comum na natureza e atrai a atenção devido ao seu fascínio estético e aplicações abrangentes. Estudos anteriores em filmes de líquido fluindo negligenciaram as contribuições das estruturas espaciais das ondas para o resultado do impacto, enquanto isto recentemente foi mostrado para ter uma influência significativa sobre a dinâmica de impacto de queda. Neste relatório, descrevem um procedimento passo a passo para investigar o efeito de forçar a entrada periódica de um filme de líquido fluindo, levando à produção de estruturas de onda spatiotemporally regular sobre a dinâmica de impacto de queda. Um gerador de função no contexto de uma válvula de solenoide é usado para excitar estas estruturas de onda spatiotemporally regulares na superfície do filme, enquanto a dinâmica de impacto de gotas de tamanho uniforme é capturada usando uma câmera de alta velocidade. Três regiões distintas são então estudadas; Viz região capilar onda precede o pico da onda grande, região plana do filme e a região de corcova de onda. Os efeitos de quantidades adimensionais importantes tais como o filme Reynolds, drop Weber e números Ohnesorge parametrizados pela taxa de fluxo do filme, queda de velocidade e tamanho de gota também são examinados. Nossos resultados mostram interessantes, até então desconhecida dinâmica provocada por esta aplicação de filme forçar a entrada do filme flui para as duas gotas de alta e baixa inércia.
Introduction
Impacto da gota é um fenômeno muito comum na natureza e atrai a atenção de qualquer observador curioso1. Constitui uma área de pesquisa ativa devido a suas numerosas aplicações incluindo refrigeração spray de supressão de fogo, impressão jato de tinta, revestimento de pulverizador, deposição de colisões de solda em placas de circuito impresso, o projeto de motores de combustão interna, limpeza de superfície e célula-impressão2. Sua aplicação estende-se também à agricultura, por exemplo, aspersão, irrigação e colheita pulverizando3,4. Pioneiro trabalho remonta aoséculo 19, com o trabalho de Worthington5, enquanto grandes avanços somente foram feitos recentemente devido o surgimento de imagens de alta velocidade6 . Desde então, vários estudos foram realizados; utilizando diferentes tipos de superfícies de impacto variando de sólidos7,8, superficial,9 e piscinas profundas líquido10,11 de filmes finos de12,13.
No entanto, apesar do grande volume de pesquisa sobre o impacto da gota em superfícies líquidas (ou seja, piscinas rasas e profundas e filmes quiescentes), impacto no fluxo filmes finos de líquido não recebeu tanta atenção. Além disso, até agora, estudos tem negligenciado as contribuições das estruturas espaciais das ondas a dinâmica de impacto da gota.
Neste relatório, nós apresentamos um procedimento experimental detalhado para investigar o processo de impacto da gota em filmes fluindo, cuja dinâmica é influenciada pela entrada-forçando a taxa de vazão de líquidos; abaixo, nos referimos a eles como filmes 'controlado'. Nós achamos que estes têm inúmeras aplicações nas indústrias multifásicas (por exemplo, na refrigeração Torres, em colunas de destilação e também em regime de fluxo anular observado em fluxos de duas fases), especialmente como controle do filme tornou-se um passo importante para o intensificação de calor e de transferência de massa em muitas indústrias de processo14. O leitor interessado é referido nosso trabalho anterior15 para mais detalhes sobre os resultados dos nossos esforços de pesquisa sobre isso.
Esta aplicação de oscilações de frequência da taxa de fluxo de entrada resulta na formação de ondas regulares na superfície do filme. Focamos na família onda solitária, que é essencialmente caracterizada por picos estreitos amplamente separada e é precedida por uma série de front-running capilar ondas16,17,18. Estudamos o resultado dos impactos associados com as três peças principais da estrutura de onda solitária: o 'filme plana', 'corcunda de onda' e 'capilar onda' de front-running regiões. Nós também Compare estes resultados com aqueles associados com filmes de fluxo descontrolados. Nossos resultados mostram que a natureza estocástica da aparência da onda do filme descontrolada marcadamente afeta o resultado do impacto de queda, com as regiões separadas do filme controlada também mostrando novos mecanismos, que temos ambos detalhado qualitativamente e quantitativamente.
Na anterior papel15, usando o mesmo procedimento, estudamos o efeito do controle de filme sobre a dinâmica de impacto da gota no regime de espirrar. Os resultados obtidos mostraram diferenças quantitativas e qualitativas na morfologia coroa (altura, diâmetro, espessura de parede, ângulo de inclinação e direção) bem como a distribuição de tamanho e número das gotas secundárias ejetadas.
Neste relatório, descrevemos o set-up projetado para entender o papel crucial desempenhado por estas estruturas espaciais na dinâmica do impacto da gota e também presentes detalhes sucintas de nossas descobertas não apenas no regime de espirrar, mas também para outros resultados da gota impacto (Viz saltando, deslizando, coalescência parcial/total). Seguindo o protocolo descrito abaixo, o efeito do controle de filme sobre a dinâmica de impacto da gota pode ser estudado de forma reprodutível.
Protocol
1. instalação de equipamento experimental
Nota: Consulte a Figura 1.
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Unidade de filme caindo
- Começa por limpar a superfície do substrato (vidro) com um pano limpo e macio. Certifique-se de que nenhuma sujeira é aderida a sua superfície, o que alteraria as propriedades do líquido.
- Defina o pivô do substrato de vidro para o ângulo de inclinação desejado. Neste trabalho, utilizou-se um ângulo de inclinação, β, de 15 ˚.
- Ligar a bomba elétrica e assegurar um fluxo normal de líquido sobre a superfície do filme mais limpar o substrato de vidro. Para este trabalho, o líquido de teste foi água desionizada.
- Certifique-se de que toda a superfície do substrato esteja umedecida.
- Medir a taxa de fluxo do filme usando o medidor de fluxo. Para este trabalho, a taxa de fluxo era variada entre 1,667 x 10-3 e 10 x 10-3 m3/s com o filme correspondente número de Reynolds, Re = ρq/wµ, variando entre 55,5 e 333. w é a largura de filme caindo, 0,30 m.
- Gradualmente ajuste as válvulas de conexão de fluxo para obter a taxa de fluxo desejada sobre o substrato de vidro.
- Ajuste o conjunto de passo de micrômetro à entrada do filme para o correspondente valor de espessura de filme de Nusselt para a taxa de fluxo escolhido, para evitar um salto hidráulico na entrada do filme ou um refluxo de ar na câmara de distribuição.
- Sifão manualmente todo o ar na câmara de distribuição para obter um fluxo uniforme a jusante na superfície do filme.
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Unidade de controle do filme
- Certifique-se de que o gerador de função está conectado à válvula de solenoide, através de um relé de retenção através de uma placa de aquisição de dados (DAC).
- Acende-se tanto a válvula de solenoide e o gerador de função.
- Conjunto o gerador de função para a forçar a frequência desejada. Neste trabalho, foram usadas as frequências de 2 e 3 Hz.
- Escolha o sinal de onda desejada (onda de seno, onda dente de serra, onda quadrada, etc.). Neste trabalho, utilizou-se um sinal de onda senoidal. Figura 2A e 2B mostram o contraste entre um filme descontrolado e um filme controlado.
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Sistema de geração de gotículas
- Anexe um tubo de plástico limpo para uma seringa cheia de água.
- Insira a seringa o gerador da gota.
- Apor uma seringa-agulha de tamanho escolhido (dependendo do diâmetro da gota desejado) para a outra extremidade do tubo de plástico. A gama de diâmetros de gotas estudada foi entre 0,0023 de 0,0044 m.
- Ajuste a altura de queda da gota na superfície do filme. Neste trabalho, altura de queda da gota era variou de 0,005 a 0,45 m, dando velocidade de impacto entre 0,30 ± 0,02 - 2.96 ± 0,06 m/s.
- Da mesma forma, defina o ponto de streamwise impacto da gota da entrada de filme. Isto foi definido como 0,3 m neste trabalho para garantir que as ondas são bem formadas antes do impacto.
- Defina uma taxa de fluxo desejada para a bomba de seringa.
- Ajustar a taxa de fluxo para atingir uma frequência de geração da gota maior que o comprimento de onda das ondas formadas na superfície do filme; para assegurar-se de gotas sucessivamente interfere em diferentes regiões do filme controlada. Ver Figura 2; com uma ampliação de uma singular forma de onda na Figura 2D para mostrar as diferenças no perfil de fluxo abaixo de cada região19,20.
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Configuração de imagem de alta velocidade
- Coloque a câmera em um tripé (ou qualquer outro arranjo apropriado).
- Selecione a macro da lente com distância focal desejada e conectar-se a esta para a câmera.
- Ligar a câmara de alta velocidade e certifique-se de foco direto na superfície do filme. Alinhe a câmera em desvios horizontais e verticais, 7˚ e 12˚ respectivamente para a superfície do filme. Isto dá uma excelente imagem de vista lateral do processo de impacto, resultando em uma resolução de 67.5 µm/pixel e 46.6 µm/pixel nas direções streamwise e spanwise, respectivamente.
- Ajuste o foco da lente da câmara (na maior abertura) usando um item de calibração colocado exatamente sobre o impacto da gota local.
- Uma vez que se obteve um foco nítido, reduza a abertura para garantir que apenas uma pequena quantidade de luz entra a câmera.
- Defina a velocidade do obturador da câmera de alta velocidade, resolução e taxa de quadros desejada. Uma taxa de quadros de 5000 fps, 800 x 600 resolução, abertura tamanho 1/16, e uma velocidade de obturador de 1 µs foram utilizados neste trabalho.
- Coloque o difusor de luz em frente a fonte de luz, como mostrado na Figura 1, para garantir que a luz é difundida uniformemente em toda a região da imagem latente.
- Ligue a fonte de luz para confirmar o espalhamento uniforme de luz sobre a área de imagem.
2. calibração
Nota: Consulte a Figura 3.
- Coloque uma régua na direção de fluxo de filme (exatamente no ponto de impacto) e obter instantâneos dos pontos medidos na superfície do filme.
- Repetição 2.1, mas com a régua na direção spanwise.
- Use o acima para obter as resoluções espaciais na superfície do filme.
3. gravação e aquisição de dados
- Uma vez que o fluxo do filme é estabelecido na plataforma, ligue a bomba de seringa e observar o impacto das gotas pingando na superfície do filme.
- Ligue o gerador de função e observar a produção de ondas spatiotemporally regulares na superfície do filme.
- Certifique-se de reduções sucessivas estão impactando as diferentes regiões da superfície do filme controlada.
- Observar o pós-acionamento número do quadro e definir isso para cerca de metade do comprimento do vídeo para capturar adequadamente o impacto.
- Ligue a fonte de luz e gatilho da captura de imagem uma vez que ocorre um impacto.
- Desligue a fonte de luz, uma vez que a captura de imagem é completa para evitar o sobreaquecimento do filme líquido.
- Analise visualmente o instantâneo obtido na tela do computador. Verifique se o impacto ocorreu em um do filme plano, onda capilar, ou regiões de corcova de onda.
- Aparar abaixo o vídeo à parte, mostrando o processo de impacto e salvar o intervalo de fotogramas em um formato de vídeo/imagem.
- Repita o impacto individual 3,5-3,8 e registro em todas as regiões na superfície do filme, viz corcunda solitária. , ondas capilares e película plana.
4. pós-processamento e análise de imagens
- Coloque uma régua no campo de visão e calcular a resolução espacial contando quantos pixels cabem através de 1 cm. usando a imagem de calibração, obtenha um fator de escala para medição de dimensão de imagem.
- Compare os resultados do processo de impacto sobre as regiões de impacto diferentes a partir das imagens de alta velocidade. Verificar diferenças notáveis.
- Usando uma rotina de processamento de imagem apropriada MATLAB, medir as características de características do produto do processo de impacto: Viz no modo de espirrar, medir a altura da coroa, diâmetro, espessura de parede da inclinação, ângulo, direção voltados para a coroa, número e tamanho distribuição de gotas secundárias ejetadas.
- Realizar semelhantes análises quantitativas como 4.3 acima para os impactos de baixa-Weber. Contagem de tempo a pitada do satélite cai a partir das imagens de tempo-moldado e mede o ápice comprimento e a largura da coluna, formada em coalescência parcial antes de pinch-off do secundárias gotas. Medir o tamanho de gotas secundários ejetados. Conte o número de cascata em um processo de pinch-off repetida.
- Observe todas as diferenças qualitativas em cada região.
Representative Results
Essencialmente, estudaram-se duas categorias de impactos; a primeira foi para gotas com baixa inércia (ou seja, soltar número de Weber, (d= ρdu2/σ) variando de 3.1 a 24,0, enquanto a segunda foi para gotas com alta inércia (i.e.,Wed 94 a 539) resultando em um resultado de respingo. O mesmo procedimento experimental, no entanto, foi seguido por ambos os estudos. Outras quantidades adimensionais relacionadas utilizadas no estudo incluem o filme número de Reynolds (Re = ρq/wµ, variando entre 55,5 e 333), o filme número de Weber (nós = ρhNuN2 /Σ, variando entre 0.1061 e 2.1024), a queda do número de Ohnesorge (Oh = µ/ (ρσd)1/2, variando entre 0,0018 e 0,0025) e o número de Kapitza (Ka = σρ/g de1/3 1/3 µ 4/3, que foi calculado para ser 3363 para água). A espessura da película de Nusselt (hN = [(3µ2Re)/(ρ2gsinβ)]1/3) verificou-se a gama de 4.034 x 10-4 para 7.328 x 10-4 m, enquanto o Nusselt filme velocidade (uN = ρgsinβhN23µ) verificou-se a gama de 0.1376 a 0.4545 m/s. Para todos acima de equações, q é a taxa de fluxo de filme, variando entre 0.001667 e 0,01 m3/s; Β é o ângulo de inclinação do substrato, fixado em 15 ˚ em relação à horizontal; µ e ρ são a viscosidade e densidade, respectivamente, de água, estimada em 0,001 Pa s e 1000 kg/m3; Σ é a força de tensão superficial (0.072 N/m); e g é a força da gravidade (9.81 m/s2).
Os impactos de baixa inércia, as tendências observaram, embora um pouco similar (Figura 4), exibiu uma série de diferenças distintamente spottable. Em primeiro lugar, geralmente notou-se que o tamanho da gota satélite produzido na região de corcova de onda foi sempre maior comparado a outras regiões de impacto. Em retrospecto, o oposto foi encontrado verdadeiro na região onda capilar. As gotas de satélite foram sempre muito pequenas. Isso ocorre porque a onda radial produzida pela queda impactante torna-se suprimida pelas ondulações capilares existentes. Como resultado, mais propagação de ondas para alongar verticalmente a gota é inibida, o que resulta na queda perdendo seu potencial para desenvolver uma coluna vertical suficientemente longo, assim, levando para a ejeção do gotas secundárias somente minúsculas das colunas delgadas formada. Também foi observado que a tendência de uma cascata foi muito reduzida sobre a corcova de onda em comparação com outras regiões. Em todos os casos examinaram, o produto de coalescência parcial, dificilmente experimentaram outra coalescência parcial, enquanto em uma película plana, acima de três a quatro são observados. Altura da coluna também foi observada para ser maior e mais inclinado na direção de fluxo na região de corcova de onda, em comparação com outras regiões.
Na região plana do filme em comparação com outras regiões de impacto, há um aumento na tendência de um resultado saltitante. Isso ocorre devido a lubrificação forte força exercida sobre a entrega por esta película fina e plana, que retarda o drenagem/afinamento da camada de ar intermediárias entre a gota e o filme, evitando assim a fusão. Este então resulta em deformação a queda observada, bem como o eventual lançamento. Em comparação, os impactos sobre a corcova de onda são mais propensos a coalescência parcial, em parte devido a espessura do filme, a ausência de ondas pré-existentes (como encontrado na região de onda capilar), e finalmente a força de lubrificação reduzida causada pela recirculação de fluxo em nesta região. Estas cumulativamente resultam na geração de colunas bastante mais tempo do que aqueles produzidos em outras regiões.
Com um aumento na taxa de fluxo do filme líquido (i.e., filme Re); impactos sobre as ondas capilares muitas vezes resultaram em um deslizamento suave da gota da onda sem fusão capilar (ver Figura 5a-5 h). Esta queda de rolamento (Figura 5D-5f) depois sobe a corcunda solitária na vinda (Figura 5 g e h 5) onde ela sofresse uma coalescência parcial (não mostrada). No entanto, o resultado do impacto na região plana do filme muda de uma constante coalescência parcial para favorecer o modo saltitante. No caso do impacto sobre a onda capilar, o aumento no filme Re levou mais estreitamente repicadas ondas capilares que depois atuou como uma "almofada" em que a gota "rodou", daí o deslizamento observado das gotas. No menos Re, um beliscar muito rápida da gota é geralmente observada na região plana do filme (de tamanho 90% da queda inicial), com essa queda experimentando algum modo de "dançar", antes que mais tarde se funde e resulta em uma coalescência parcial normal. Este é, no entanto, não observado em outras regiões do filme controlado.
Com o aumento da queda de nósd, observou-se que a altura da coluna aumentou tanto na região plana do filme e a corcunda de onda mas reduzido na região de onda capilar.
Finalmente, com um aumento no tamanho da gota, mais longos e mais largas colunas foram observadas na região plana do filme, que por sua vez, deu origem a uma maior queda de satélite. No entanto, na corcunda de onda, isto não foi observado, em vez disso, observou-se uma transição de coalescência total. Na onda capilar, o aumento no tamanho da gota levou a reduzida de deslizamento de gota e uma transição coalescência parcial. A maior queda, no entanto, rendida quase imediatamente a coalescência total. Um resumo destes resultados é apresentado na tabela 1.
Além da gota velocidade 1,70 ± 0,03 m/s, observa-se um resultado inicial nas três regiões na superfície do filme (Figura 6). No entanto, apesar de um resultado semelhante é observado também em deste regime, são observadas diferenças marcantes na morfologia de altura formou sua coroa, diâmetro, espessura de parede, ângulo de inclinação, tempo unindo bem como número e distribuição de tamanho de ejetado gotículas de secundárias.
Na 'onda corcunda região', a estrutura da coroa é diferente do 'capilar' e 'plano de regiões de filme', como sua forma é mais regular. Também possui uma espessa parede de coroa e a altura da coroa é maior do que aqueles observados no 'capilar' e 'plano de regiões de filme'. Há também menos gotículas secundárias ejetadas de sua borda em comparação com as coroas formadas nas outras regiões. Finalmente, um tempo de coalescência é observado antes a coroa é varrida pelo filme fluindo.
Na 'região plana do filme' e 'onda capilar', as coroas formadas também são bem diferentes com base em um número de características. Em primeiro lugar, observou-se que a altura traseira da coroa é afectada pelas corcovas capilares, bem como a dinâmica de reversão de fluxo na região onda capilar' ', daí causando a coroa formada para aparecer mais na vertical. Esta inversão do fluxo resulta no transporte de massa líquida para trás que aumenta a altura traseira da coroa formada. Este, no entanto, não é observado nas películas planas: a coroa é naturalmente inclinada na direção do fluxo de líquido e inclina-se ainda mais com o aumento da Re. Esta inclinação pode ser observada em ambas as extremidades a montante e a jusante da coroa. Em comparação, nas ondas do capilares, como o filme que re é aumentada, a parte traseira da coroa parece tornar-se mais 'vertical', de modo oposto ao que observado em filmes planas. A altura da coroa do filme plana no entanto, é maior do que sobre as ondas capilares devido o confinamento do substrato. Há também um início mais rápido de ejeção secundário da gota da borda da coroa, sobre as ondas capilares em comparação com isso em filmes planas. Finalmente, mais gotículas secundárias são ejetadas na borda da coroa em filmes lisos do que no capilares ondas.
Evolução temporal da coroa mostra uma fraca dependência do diâmetro da coroa no filme Re em todas as regiões do fluxo. A dependência mais fraca Re é observada na 'onda corcunda região'. Na região plana do filme' ', observa-se a altura da coroa a aumentar com a Re , como esperado, uma vez que maior Re estão associados com filmes mais espessas. O grau de inclinação da coroa na direção de fluxo também é maior com o aumento da Re no 'filme plana' e 'hump de onda' regiões; Este efeito, no entanto, parece ser que menos pronunciada na região da onda capilar.
Na 'onda corcunda região', há poucas gotículas secundárias ejetadas com o aumento da re. Parece haver uma dependência da altura coroa Re, um pouco fraca, enquanto há uma diminuição no tempo coroa unindo com o aumento da Re, que é o resultado da velocidade do aumento do filme flui na qual ocorre o impacto, que rapidamente varre a coroa unindo longe do ponto de impacto original. Há também uma mudança na inclinação da coroa na 'onda corcunda região' dependendo da competição entre a inércia da gota impactante e que do filme flui. Em baixa Re, a coroa enfrenta a direção a jusante, enquanto em valores mais elevados de Re , que enfrenta a montante (Figura 7). Esta tendência não é observada na 'onda capilar' e 'regiões planas filme'.
Na 'onda capilar região', mais gotículas secundárias são observadas em baixa Re. Há também um aumento da altura total da coroa com Re, e, em menor Re, ejeção da gota é principalmente na direção streamwise (com a borda da coroa maior na parte dianteira do que na parte de trás e também inclinada mais para o streamwise direção). A altura se torna mais simétrica em maior Re, que é acreditado para ser devido o efeito de equilíbrio das corcovas maiores que ondas capilares possuem em sua retaguarda, desse modo equilibrando-se a altura da borda da coroa na parte de trás.
Com a queda do efeito de Weber, pode-se observar que o diâmetro de coroa aumenta a uma taxa maior com o aumento da nósd; a maior taxa é associada com a região de corcunda' onda'. Outras diferenças observadas no número e distribuição de tamanho de gota secundária ejetada este regime espirrando são mostrados na Figura 8 e Figura 9, respectivamente. Um resumo destes resultados é apresentado na tabela 2.
Figura 1: equipamento Experimental. (A) representação esquemática do equipamento experimental, , que consiste da unidade filme caindo para o fluxo do filme líquido sobre um substrato de vidro inclinado; uma unidade de controle do filme (que consiste de uma válvula de solenoide conectada através de um relé de retenção através de cartão de aquisição de dados e um gerador de função que envia o sinal automatizado controlando a abertura e fechamento da válvula de solenoide); uma bomba de seringa, usada para a geração de gotículas de tamanhos controlados de alturas calculadas acima da superfície do filme e uma câmera de alta velocidade para a imagem latente de digital. Os resultados obtidos são analisados no sistema do computador. Reproduzido de Alvim & Monteiro 201715 com a permissão da The Royal Society of Chemistry. (B) uma visão pictórica da plataforma. (C) - (D) descrição pictórica de arranjo de iluminação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: efeito do controle de filme sobre a dinâmica de evolução de onda em um filme de líquido fluindo. Imagem de Shadowgraph (A) da superfície do filme antes do controle de filme. O filme é caracterizado pela presença de evoluir naturalmente ondas que são estocásticos na natureza e apresentam dinâmica spatiotemporal irregular. (B) imagem de Shadowgraph da superfície do filme, depois de forçar. As ondas são contribuições spatiotemporally regular e previsível, processamento da estrutura espacial para soltar impacto fácil para estudar. (C) formação de onda solitária em um filme de líquido fluindo controlada, destacando as diferentes regiões na onda capilar de superfície Viz de filme, filme liso e onda hump regiões. (D) Magnified exibição de uma estrutura singular onda mostrando o perfil de vazão em cada zona. Reproduzido de Alvim & Monteiro 201715 com a permissão da The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: resolução espacial em 5000 fps. Com um ângulo de inclinação do substrato de 15 ˚, a resolução espacial é calculada para ser 67.5 µm/pixel e 46.6 µm/pixel nas direções streamwise e spanwise, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: efeito do controle do filme sobre o resultado da baixa inércia gotas afetar diferentes regiões de um filme de fluxo controlado, contrastado com um filme descontrolado. A altura de queda da gota é 0,005 m, tamanho de gota é 3,3 mm, velocidade do filme é 5 x 10-3 m3/s, forçando a frequência é de 2 Hz, correspondente ao filme Re 166.5, gota nós 3.134 e Oh 0,0021. A queda se aproxima da superfície da película (a) e contato (b), desencadeia a drenagem da camada de ar intermediárias entre ele e o filme. Estes resultados na deformação da forma gota e uma propagação radial de capilares ondulações na superfície do filme, iniciou-se no ponto de impacto (c-d). Uma vez que a camada de ar é rompida, uma fusão da gota líquida com o filme de líquido é observada (e) e um crescimento vertical da coluna de líquido cilíndrica (em um caso de coalescência parcial/total). Isto é seguido por um período preparatório de ondas capilares na coluna formada, que alonga-lo. Finalmente, uma pitada de descolagem de uma gota de satélite é observado (g-h), em um caso de coalescência parcial, que é de tamanho menor para a queda inicial da mãe. Uma repetição do processo de coalescência é vista também (i-j). Diferenças qualitativas são vistas os resultados observados (saltando ou deslizamento parcial ou coalescência) e a presença de uma cascata; enquanto são observadas diferenças quantitativas no pitada-fora de tempo, o tamanho (altura e largura) da coluna de líquido formado, tamanho de gota de satélite ejetado, e aponta a cascata. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: gota de deslizamento na região de um filme de fluxo controlado de onda capilar. O diâmetro da gota é 2,3 mm, com uma altura de queda de 0,008 m, enquanto o fluxo de filme taxa é 10 x 10-3 m3/s, correspondente ao Oh = 0.0024, nósd = 5.014 e filme Re = 333, respectivamente. Forçando foi realizado em 2 Hz. (a) abordagem. (b) contato. (c-f) Queda de rolamento. (g-h) Escalando a corcunda solitária que se aproxima. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: efeito do controle filme espirrando fenômenos em diferentes regiões do impacto sobre um filme de fluxo controlado, contrastado com um filme descontrolado. O diâmetro da gota é 3,3 mm, com uma altura de queda de 0,25 m, enquanto o fluxo de filme taxa é 5 x 10-3 m3/s, correspondente ao Oh = 0,0021, nósd = 224.8 e filme Re = 166.5, respectivamente. Forçando foi realizado a 2 Hz. A gota de líquido se aproxima da superfície da película (a) e imediatamente após o contato (b), desenvolve uma folha de material ejetado que cresce em uma coroa (c). O crescimento da coroa (d-e) rendimentos posteriores a uma instabilidade de Rayleigh-Plateau, que leva a ejeção de gotículas menores da sua borda (f-j). A coroa desmorona depois e aglutina com o filme (k), sendo transportado fora pelo fluxo que se aproxima. As diferenças únicas no resultado impacto sobre as regiões individuais do impacto são vistas no tamanho (altura e diâmetro) da coroa formada, número e distribuição de tamanho de gotas secundárias ejetadas, o grau de coroa de inclinação, espessura de parede, coroa de frente para a direção e o tempo de coalescência final. Reproduzido de Alvim & Monteiro 201715 com a permissão da The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: efeito do filme Reynolds e soltar Weber na propagação da coroa da região de corcunda' onda'. O tamanho da gota é 3,3 mm, correspondente ao Oh = 0,0021 e da queda de alturas de queda foi variou de 0,20 a 0,35 m (correspondente a nósd = 179.8-314.7) enquanto Re está no intervalo de 55,5 para 333. Os diamantes vermelhos retratam os resultados com a coroa, enfrentando a direção a jusante, enquanto os diamantes azuis mostram resultados de montante voltados para a coroa. A inclinação da coroa é afetada pela concorrência entre a inércia da gota impactante e que do filme flui. Especificamente, em baixo- Re, a coroa é inclinada para a direção de streamwise mas como a inércia do filme flui ganha em importância, a direção muda e enfrenta a montante. Esta coroa upstream-voltado para a direção é mantida além de um valor de Re de aproximadamente 250 independentemente da magnitude da nósd. Reproduzido de Alvim & Monteiro 201715 com a permissão da The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: variação do número de gotas secundários ejetado da borda coroa em regiões diferentes do impacto de um filme controlada (viz 'onda capilar', 'filme liso' e 'corcunda de onda' regiões, mostradas da esquerda para a direita, respectivamente) contrastada contra um filme descontrolada. O tamanho da gota é 3,3 mm correspondente a Oh = 0,0021 e a queda de alturas têm variadas de 0,20 a 0,35, resultando em velocidades de impacto dentro da escala de 1.981-2.621 m/s (correspondente a nósd = 179.8-314.7). Os retângulos vermelhos mostram queda de altura de queda de 0,35 m, o verde diamantes 0.3 m, o azul círculos 0,25 m e a laranja praças 0,2 m, respectivamente. O número de gotas secundário ejetado aumento com gota nós em todas as regiões, enquanto uma tendência irregular é observado com filme Re aumento: sobre a corcova de onda, há uma diminuição do número de gotas secundários ejetadas enquanto na onda capilar e plano filme de regiões, há um ligeiro aumento. Um mergulho é notado em torno do filme Re 166.5 para a onda capilar, que ocorre como resultado da competição entre as velocidades tangenciais da gota e do filme. A tendência desproporcional observada nas películas descontroladas é acreditada para ocorrer como resultado da natureza estocástica das ondas na superfície do filme. Reproduzido de Alvim & Monteiro 201715 com a permissão da The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: efeito da região de impacto sobre a distribuição de tamanho de gota secundária ejetada num filme controlado contrastado com um filme descontrolado. O tamanho da gota é 3,3 mm, enquanto a taxa de fluxo do filme é 5 x 10-3 m3/s correspondente a um filme Re de 166.5 e soltar Oh 0,0021. Alturas de queda da gota são 0.2, 0.25, 0.3 e 0,35 m, correspondente a nósd 179.8, 224.8, 269.8 e 314.7 respectivamente. Na onda capilar, a forma da distribuição é em grande parte inalterada com o aumento do número de Weber, mas um notável aumento do número de gotas do intervalo de 0,5 a 1,0 mm. Sobre os filmes planos, no entanto, observa-se a distribuição de tamanho que variam de 0 a 2,0 mm, e observa-se uma mudança em direção as gotas de 0 a 0,5 mm de tamanho conforme o número de Weber é aumentado. Este aumento do número de gotas pequenas ejetado diferencia claramente a região plana filme de outras regiões. Sobre a corcova de onda, a distribuição de tamanho mostra que grandes gotas no intervalo (1,0 a 2,0 mm) são ejetadas mesmo para o menor número de Weber examinado. Em contraste com o que precede, as distribuições de tamanho de gota associadas com um filme descontrolado não apresentam uma forma perceptivelmente distinta devido a natureza estocástica das ondas em filmes. Reproduzido de Alvim & Monteiro 201715 com a permissão da The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Parâmetros | Região de onda capilar | Região plana do filme | Região de corcova de onda |
| Altura do ápice da coluna líquida | Curta | Médio | Alta |
| Tamanho da gota de satélite | Pequeno | Média | Grande |
| Existência de cascata | Raro | Sim | Nenhum |
| Aumentar o efeito de Re | Fenômenos de deslizamento | Fenômenos saltitante | Transição para coalescência total |
| Efeito de aumento de nós | Diminuição da altura da coluna | Aumento da altura da coluna | Aumento da altura da coluna |
| Diminuir o efeito de Oh | Gota reduzida de deslizamento | Colunas mais longos e mais largas, maior satélite cai | Transição para coalescência total |
Tabela 1. Paramétricas diferenças na dinâmica de impacto da gota de baixa inércia em diferentes regiões de um filme de fluxo controlado.
| Parâmetros | Região de onda capilar | Região plana do filme | Região de corcova de onda |
| Forma de coroa | Irregular | Irregular | Regular |
| Altura da coroa | Alta | Superior | Mais alto |
| Espessura de parede de coroa | Fina | Mais fino | Espessura |
| Número de gotas secundários | Mais | Maioria | Pouco/nenhum |
| Ângulo de inclinação da coroa | Reduz com filme Re | Aumenta com o filme Re | Inverte-se além do Re 250 |
| Tempo de coalescência | Rápido | Devagar | Mais atrasado |
| Aumentar o efeito do filme Re | Coroa torna-se mais "vertical" | Aumento da altura da coroa, coroa-inclinação íngreme em direção do fluxo do filme, | Diminuição do número de gotas secundários, mudança de direção voltados para a coroa, além do Re 250 |
| Efeito da gota aumento de Weber | Anteriores início e aumento do número de gotas secundários e aumento do diâmetro da coroa. | Aumentar o número de gotas secundárias, coroa altura e diâmetro de coroa; diminuir de tamanho de gotas secundários | Aumentar o número de gotas secundárias, coroa altura, diâmetro de coroa, tempo de coalescência e mudança de direção voltados para a coroa. |
| Efeito da gota Oh diminuição | Aumento da altura e diâmetro de coroa | Aumento da altura e diâmetro de coroa | Aumento da altura e diâmetro de coroa |
Tabela 2. Paramétricas diferenças na dinâmica de impacto da gota de alta inércia em diferentes regiões de um filme de fluxo controlado (o regime de espirrar).
Discussion
Nesta seção, nós fornecemos algumas dicas necessárias para garantir resultados qualitativos são obtidos a partir do protocolo. Primeiro, o substrato de vidro em que os fluxos de filme líquido devem ser mantidos totalmente livre de sujeira para garantir as propriedades do filme líquido são mantidos descomprometido. Isto é alcançável por uma limpeza regular (provavelmente usando um detergente apropriado e limpado fora sobre uma bandeja para evitar a dissolução no sistema). Da mesma forma, deve haver uma substituição regular do teste inteiro-líquido depois de algumas rodadas experimentais, para garantir resultados precisos.
Em segundo lugar, a câmara de distribuição de fluidos deve ser bem malhada e também manteve hermético para garantir que o filme efluente líquido é uniforme. Isso pode ser feito por sifonagem manualmente o ar fora da caixa de distribuição antes de cada experimento. O uso do micrômetro-passos à entrada do filme também é aconselhado para definir a altura de abertura à entrada do filme para a espessura da película exata prevista por Nusselt estimativa do fluxo de filme com o correspondente número de Reynolds. Isto impedirá que um salto hidráulico ou refluxo na entrada.
A operação da válvula solenoide também sempre deve ser verificada e deduzi corretamente. Isso ocorre porque uma pulsação adequada do fluxo é necessário para garantir a produção das ondas forçadas. Isto pode ser verificado pelo barulho clicando em regular a válvula de solenoide, bem como uma pulsação percebida ao longo dos tubos de conexão. A taxa de fluxo de líquido para a bomba de seringa também deve ser definida cuidadosamente para garantir que as gotas são ejetadas de uma forma de gotejamento, evitando qualquer pre-aceleração antes de cair.
Calibração adequada da câmera de alta velocidade deve ser assegurada para obter resultados muito precisos. O tamanho da abertura deve também ser cuidadosamente escolhido tendo em conta parâmetros como a profundidade de campo, o tempo de exposição e o brilho geral da imagem. Para a câmara de disparo durante a gravação de vídeo, os usuários também são necessários para estimar quantos quadros devem ser registados antes de acionar. Isto pode variar com indivíduos, dependendo do tempo de impacto de queda, portanto, vários testes experimentais para a prática são recomendados antes as medições reais. Da mesma forma, a fonte de luz deve ser devidamente arranjado e bem difundida para minimizar sombras na imagem.
É importante notar e lembrar que o foco principal do estudo as contribuições das ondas para a dinâmica de impacto das gotas caindo, daí a formação de estruturas de onda regular é essencial para um estudo exato da física subjacente. Em cenários onde as estruturas de onda são observadas rapidamente a transição para estruturas tridimensionais, recomenda-se que o ângulo de inclinação do substrato ser reduzida14,19 a fim de facilitar uma transição mais lenta das estruturas de onda .
Uma limitação da técnica é observada na ausência de um dispositivo de medição, especificando a espessura da película instantânea real em cada região do impacto. Isto teria fornecido detalhes adicionais sobre os fenómenos observados globais.
Em resumo, o procedimento descrito neste relatório também pode ser usado para estudar a dinâmica de evolução de onda simples, enquanto o sistema de imagem de alta velocidade descrito pode ser aplicado a muitos campos de investigação com dinâmica rápida, tais como a gota de líquido rompimento21, 22/coalescence23, jatos granular24, etc , onde importantes fenômenos são observados em uma micro escala de tempo.
Disclosures
Os autores não têm nada a declarar.
Acknowledgments
Este trabalho foi patrocinado pela Physical Sciences Research Council, Reino Unido, através do programa de subvenção MEMPHIS (número de concessão EP/K003976/1) e engenharia e o fundo de desenvolvimento de tecnologia de petróleo (PTDF, Nigéria). Os autores também apreciam discussões frutíferas com 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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