Kontrola filmu w celu zbadania wpływu fal na dynamikę oddziaływania kropel na cienkie, płynące warstwy cieczy

Podsumowanie

Przedstawiono protokół do badania wpływu fal na dynamikę uderzeń kropel w przepływające warstwy cieczy.

Streszczenie

Uderzenie kropelki jest bardzo powszechnym zjawiskiem w przyrodzie i przyciąga uwagę ze względu na swoją estetyczną fascynację i szeroki zakres zastosowań. Wcześniejsze badania nad płynącymi warstwami cieczy zaniedbywały wpływ struktur przestrzennych fal na wynik zderzenia, podczas gdy ostatnio wykazano, że ma to znaczący wpływ na dynamikę uderzeń kropli. W niniejszym raporcie przedstawiamy krok po kroku procedurę badania wpływu okresowego wymuszania wlotu przepływającej warstwy cieczy, prowadzącego do wytworzenia przestrzennie regularnych struktur falowych na dynamikę uderzeń kropli. Generator funkcyjny w połączeniu z zaworem elektromagnetycznym służy do wzbudzania tych czasoprzestrzennie regularnych struktur falowych na powierzchni folii, podczas gdy dynamika uderzeń kropel o jednakowej wielkości jest rejestrowana za pomocą szybkiej kamery. Następnie badane są trzy odrębne regiony; mianowicie obszar fali kapilarnej poprzedzający szczyt dużej fali, obszar płaskiej warstwy i obszar garbu falowego. Badane są również wpływ ważnych wielkości bezwymiarowych, takich jak liczba Reynoldsa, kropli Webera i Ohnesorge'a, sparametryzowanych przez natężenie przepływu folii, prędkość kropli i rozmiar kropli. Nasze wyniki pokazują interesującą, dotychczas nieodkrytą dynamikę wynikającą z zastosowania wymuszania wlotu filmu przez przepływającą folię zarówno dla kropli o niskiej, jak i dużej bezwładności.

Wprowadzenie

Uderzenie kropelki jest bardzo powszechnym zjawiskiem w przyrodzie i przyciąga uwagę każdego ciekawskiego obserwatora¹. Stanowi aktywny obszar badawczy ze względu na liczne zastosowania, w tym chłodzenie natryskowe, tłumienie ognia, druk atramentowy, powlekanie natryskowe, osadzanie guzków lutowniczych na płytkach drukowanych, projektowanie silników spalinowych, czyszczenie powierzchni i drukowanie komórek². Jego zastosowanie rozciąga się również na rolnictwo, np. zraszanie, nawadnianie i opryskiwanie upraw^3,4. Pionierskie prace sięgają XIX wieku, kiedy to powstał Worthington⁵, podczas gdy duże postępy poczyniono dopiero niedawno dzięki pojawieniu się szybkiego obrazowania⁶. Od tego czasu przeprowadzono kilka badań; Używanie różnych typów powierzchni uderzeniowych, począwszy od ciał stałych^7,8, płytkich, ⁹ i głębokich basenów cieczy^10,11 do cienkich folii^12,13.

Jednakże, pomimo dużej ilości badań nad wpływem kropel na powierzchnie cieczy (np. płytkie i głębokie kałuże oraz spokojne warstwy), wpływ na płynące cienkie warstwy cieczy nie spotkał się z tak dużym zainteresowaniem. Ponadto do tej pory badania pomijały wpływ struktur przestrzennych fal na dynamikę uderzeń kropel.

W tym raporcie przedstawiamy szczegółową procedurę eksperymentalną do zbadania procesu wpływu kropel na przepływające folie, na których dynamikę wpływa wymuszanie przepływu cieczy; poniżej nazywamy je 'kontrolowanymi' foliami. Okazuje się, że mają one liczne zastosowania w przemyśle wielofazowym (np. w chłodniach kominowych, w kolumnach destylacyjnych, a także w reżimie przepływu pierścieniowego obserwowanym w przepływach dwufazowych), zwłaszcza że kontrola filmu stała się ważnym krokiem w intensyfikacji zarówno wymiany ciepła, jak i masy w wielu gałęziach przemysłu przetwórczego¹⁴. Zainteresowanego czytelnika odsyłamy do naszego poprzedniego work¹⁵ po więcej szczegółów na temat wyników naszych badań w tym zakresie.

To zastosowanie oscylacji częstotliwości natężenia przepływu na wlocie powoduje powstawanie regularnych fal na powierzchni folii. Skupiamy się na rodzinie pojedynczych fal, która zasadniczo charakteryzuje się szeroko oddalonymi wąskimi szczytami i jest poprzedzona serią fal kapilarnych biegnących do przodu^16,17,18. Badamy wyniki oddziaływań związanych z trzema głównymi częściami struktury pojedynczej fali: "płaską warstwą", "garbem falowym" i obszarami "fali kapilarnej" biegnącymi do przodu. Porównujemy również te wyniki z tymi związanymi z niekontrolowanie płynącymi foliami. Nasze wyniki pokazują, że stochastyczna natura pojawiania się fal na niekontrolowanej folii znacząco wpływa na wynik uderzenia kropli, przy czym poszczególne obszary kontrolowanej folii również wykazują nowe mechanizmy, które szczegółowo opisaliśmy zarówno jakościowo, jak i ilościowo.

W poprzednim artykule¹⁵, używając tej samej procedury, badaliśmy wpływ kontroli filmu na dynamikę uderzeń kropel w reżimie rozpryskiwania. Uzyskane wyniki wykazały zarówno ilościowe, jak i jakościowe różnice w morfologii korony (wysokość, średnica, grubość ścianki, kąt nachylenia i kierunek), a także w liczbie i rozkładzie wielkości wyrzucanych kropel wtórnych.

W tym raporcie opisujemy projektowaną konfigurację, aby zrozumieć krytyczną rolę odgrywaną przez te struktury przestrzenne w dynamice uderzeń kropel, a także przedstawiamy zwięzłe szczegóły naszych ustaleń nie tylko w reżimie rozpryskiwania, ale także dla innych wyników uderzenia kropel (tj. odbijanie, ślizganie się, częściowa/całkowita koalescencja). Postępując zgodnie ze standardowym protokołem opisanym poniżej, wpływ kontroli filmu na dynamikę uderzenia kropli może być badany w powtarzalny sposób.

Protokół

1. Konfiguracja platformy eksperymentalnej

UWAGA: Zobacz Rysunek 1.

1. Jednostka opadającej folii
   1. Zacznij od oczyszczenia powierzchni podłoża (szkła) czystą, miękką szmatką. Upewnij się, że do jego powierzchni nie przykleił się brud, który mógłby zmienić właściwości płynu.
   2. Ustaw oś szklanego podłoża na żądany kąt nachylenia. W pracy tej zastosowano kąt nachylenia β 15°.
   3. Włącz pompę elektryczną i zapewnij normalny przepływ cieczy na powierzchni folii, aby dodatkowo oczyścić szklane podłoże. Do tej pracy cieczą testową była woda dejonizowana.
   4. Upewnij się, że cała powierzchnia podłoża jest zwilżona.
   5. Zmierz natężenie przepływu folii za pomocą przepływomierza. W tej pracy natężenie przepływu wahało się od 1,667 x ^10-3 do 10 x ^10-3 m³/s z odpowiednią liczbą Reynoldsa, Re = ρq/wμ, w zakresie od 55,5 do 333. W to szerokość opadającej folii, 0,30 m.
   6. Stopniowo reguluj zawory na przyłączu przepływu, aby uzyskać pożądane natężenie przepływu na szklanym podłożu.
   7. Dostosuj zestaw kroków mikrometrycznych na wlocie folii do odpowiedniej wartości grubości folii Nusselt dla wybranego natężenia przepływu, aby uniknąć skoku hydraulicznego na wlocie folii lub cofania się powietrza do komory dystrybucyjnej.
   8. Ręcznie odsysać całe powietrze w komorze dystrybucyjnej, aby uzyskać równomierny przepływ po powierzchni folii.
2. Jednostka sterująca folią
   1. Upewnij się, że generator funkcyjny jest podłączony do zaworu elektromagnetycznego za pomocą nieblokującego przekaźnika za pośrednictwem karty akwizycji danych (DAC).
   2. Włączyć zarówno zawór elektromagnetyczny, jak i generator funkcyjny.
   3. Ustawić generator funkcyjny na żądaną częstotliwość wymuszania. W pracy tej wykorzystano częstotliwości 2 i 3 Hz.
   4. Wybierz żądany sygnał fali (fala sinusoidalna, fala piłokształtna, fala prostokątna itp.). W pracy tej wykorzystano sygnał sinusoidalny. Rysunek 2A i 2B pokazują kontrast między niekontrolowanym filmem a kontrolowanym filmem.
3. System generowania kropel
   1. Podłącz czystą plastikową rurkę do strzykawki wypełnionej wodą.
   2. Włożyć strzykawkę do generatora kropel.
   3. Przymocuj igłę strzykawki o wybranym rozmiarze (w zależności od pożądanej średnicy kropli) na drugim końcu plastikowej rurki. Badane średnice kropli mieściły się w przedziale od 0,0023 do 0,0044 m.
   4. Dostosuj wysokość upadku kropli nad powierzchnią folii. W tej pracy wysokość upadku wahała się od 0,005 do 0,45 m, co dawało prędkość uderzenia w zakresie 0,30 ± 0,02 - 2,96 ± 0,06 m/s.
   5. Podobnie ustaw punkt uderzenia kropli w strumieniu od wlotu folii. W tej pracy ustawiono ją na 0,3 m, aby upewnić się, że fale są dobrze uformowane przed uderzeniem.
   6. Ustawić żądane natężenie przepływu dla pompy strzykawkowej.
   7. Dostosuj natężenie przepływu, aby uzyskać częstotliwość generowania kropel większą niż długość fali utworzonych na powierzchni folii; aby krople kolejno uderzały w różne obszary kontrolowanej folii. Zobacz Rysunek 2C; z powiększeniem pojedynczego przebiegu w Rysunek 2D, aby pokazać różnice w profilu przepływu pod każdym regionem^19,20.
4. Konfiguracja szybkiego obrazowania
   1. Umieść aparat na statywie, stojaku (lub innym odpowiednim układzie).
   2. Wybierz obiektyw makro o żądanej ogniskowej i podłącz go do aparatu.
   3. Włącz szybką kamerę i upewnij się, że ostrość jest bezpośrednio na powierzchni filmu. Ustaw aparat pod kątem 7° i 12° odchyleń poziomych i pionowych odpowiednio od powierzchni filmu. Daje to doskonały obraz procesu uderzenia w widoku bocznym, co skutkuje rozdzielczością 67,5 μm/piksel i 46,6 μm/piksel odpowiednio w kierunku strumieniowym i przestrzennym.
   4. Wyreguluj ostrość obiektywu aparatu (na największej przysłonie) za pomocą elementu kalibracyjnego umieszczonego dokładnie w miejscu uderzenia kropli.
   5. Po uzyskaniu ostrej ostrości zmniejsz przysłonę, aby upewnić się, że do aparatu wpada tylko niewielka ilość światła.
   6. Ustaw żądaną liczbę klatek na sekundę, rozdzielczość i czas otwarcia migawki aparatu o dużej szybkości. W pracy wykorzystano liczbę klatek na sekundę 5000 kl./s, rozdzielczość 800 x 600, rozmiar przysłony 1/16 i czas otwarcia migawki 1 μs.
   7. Umieść dyfuzor światła przed źródłem światła, jak pokazano na Rysunek 1C, aby upewnić się, że światło jest równomiernie rozproszone w całym obszarze obrazowania.
   8. Włącz źródło światła, aby potwierdzić równomierne rozprowadzenie światła w obszarze obrazowania.

2. Kalibracja

UWAGA: Zobacz Rysunek 3.

1. Umieść linijkę w kierunku przepływu folii (dokładnie w miejscu uderzenia) i uzyskaj migawki zmierzonych punktów na powierzchni folii.
2. Powtórz czynności 2.1, ale z linijką w kierunku rozpiętości.
3. Skorzystaj z powyższego, aby uzyskać rozdzielczości przestrzenne na powierzchni folii.

3. Nagrywanie wideo i akwizycja danych

1. Po ustaleniu przepływu folii na platformie uruchom pompę strzykawkową i obserwuj wpływ kapiących kropli na powierzchnię folii.
2. Uruchom generator funkcyjny i obserwuj wytwarzanie fal czasoprzestrzennie regularnych na powierzchni folii.
3. Upewnij się, że kolejne krople wpływają na różne obszary kontrolowanej powierzchni folii.
4. Zwróć uwagę na numer klatki po wyzwoleniu i ustaw go na około połowę długości filmu, aby odpowiednio uchwycić wpływ.
5. Włącz źródło światła i uruchom przechwytywanie obrazu, gdy nastąpi uderzenie.
6. Wyłącz źródło światła po zakończeniu przechwytywania obrazu, aby uniknąć przegrzania płynnej folii.
7. Przeanalizuj wizualnie uzyskaną migawkę na ekranie komputera. Sprawdź, czy uderzenie nastąpiło w jednym z obszarów płaskiej folii, fali kapilarnej lub garbu falowego.
8. Przytnij wideo do części pokazującej proces wpływu i zapisz zakres klatek w formacie wideo/obrazu.
9. Powtórz 3,5 - 3,8 i zapisz indywidualne uderzenie we wszystkie obszary na powierzchni filmu, a mianowicie samotny garb, fale kapilarne i płaską folię.

4. Przetwarzanie końcowe i analiza obrazu

1. Umieść linijkę w polu widzenia i oblicz rozdzielczość przestrzenną, zliczając, ile pikseli mieści się na 1 cm. Korzystając z obrazu kalibracyjnego, uzyskaj współczynnik skali do pomiaru wymiarów obrazu.
2. Porównaj wyniki procesu wpływu na różnych obszarach wpływu z obrazów o dużej prędkości. Sprawdź, aby zobaczyć zauważalne różnice.
3. Korzystając z odpowiedniej procedury przetwarzania obrazu MATLAB, zmierz cechy charakterystyczne produktu procesu uderzeniowego: mianowicie w trybie rozpryskiwania, zmierz wysokość korony, średnicę, grubość ścianki, kąt nachylenia, kierunek skierowany w stronę korony, liczbę i rozkład wielkości wyrzucanych kropel wtórnych.
4. Należy przeprowadzić podobne analizy ilościowe, jak w pkt 4.3 powyżej, w odniesieniu do oddziaływań o niskim poziomie Webera. Policz czas ściągnięcia zrzutów satelitów na podstawie obrazów w ramkach czasowych i zmierz długość i szerokość wierzchołka kolumny utworzonej w częściowej koalescencji przed ściśnięciem spadków wtórnych. Zmierz wielkość wyrzuconych kropli wtórnych. Policz liczbę kaskad w powtarzającym się procesie szczypania.
5. Obserwuj wszystkie różnice jakościowe w każdym regionie.

Wyniki

W badaniu przeanalizowano zasadniczo dwie kategorie uderzeń; pierwsza dotyczyła kropli o niskiej inercji (t.j. liczba Webera dla kropli (We_d= ρdu²/σ) w zakresie od 3,1 do 24,0), natomiast druga dotyczyła kropli o wysokiej inercji (t.j. We_d od 94 do 539), co skutkowało rozbryzgiem. W obu przypadkach zastosowano tę samą procedurę eksperymentalną. Inne powiązane wielkości bezwymiarowe wykorzystane w badaniu obejmowały liczbę Reynoldsa dla filmu (Re = ρq/wµ, w zakresie od 55,5 do 333), liczbę Webera dla filmu (We = ρh_Nu_N²/σ, w zakresie od 0,1061 do 2,1024), liczbę Ohnesorge'a dla kropli (Oh = µ/(ρσd)^1/2, w zakresie od 0,0018 do 0,0025) oraz liczbę Kapicy (Ka = σρ^1/3/g^1/3µ^4/3, która dla wody wyniosła 3363). Stwierdzono, że grubość filmu Nusselta (h_N = [(3µ²Re)/(ρ²gsinβ)]^1/3) mieści się w zakresie od 4,034 x 10^-4 do 7,328 x 10^-4 m, natomiast prędkość filmu Nusselta (u_N = ρgsinβh_N²/3µ) mieści się w zakresie od 0,1376 do 0,4545 m/s. W powyższych równaniach q to natężenie przepływu filmu, zmieniające się od 0,001667 do 0,01 m³/s; β to kąt nachylenia podłoża, ustalony na 15˚ względem poziomu; µ i ρ to odpowiednio lepkość i gęstość wody, oszacowane na 0,001 Pa s i 1000 kg/m³; σ to siła napięcia powierzchniowego (0,072 N/m), a g to przyspieszenie ziemskie (9,81 m/s²).

W przypadku uderzeń o niskiej bezwładności zaobserwowane trendy, choć nieco podobne (Rycina 4), wykazały szereg wyraźnie dostrzegalnych różnic. Po pierwsze, ogólnie zauważono, że rozmiar kropli satelitarnej powstałej w obszarze wybrzuszenia fali był zawsze większy w porównaniu z innymi obszarami uderzenia. Z drugiej strony stwierdzono, że w obszarze fali kapilarnej zachodziło zjawisko przeciwstawne. Krople satelitarne były zawsze bardzo małe. Dzieje się tak, ponieważ fala radialna wytworzona przez uderzającą kroplę zostaje stłumiona przez istniejące zmarszczki kapilarne. W rezultacie hamowana jest dalsza propagacja fali, która miałaby spowodować pionowe wydłużenie kropli, co prowadzi do utraty zdolności do wytworzenia wystarczająco długiej kolumny pionowej, a tym samym skutkuje wyrzutem jedynie niewielkich kropli wtórnych z powstałych cienkich kolumn. Zaobserwowano również, że tendencja do kaskadowości była znacznie mniejsza na wybrzuszeniu fali w porównaniu z innymi obszarami. We wszystkich badanych przypadkach produkt koalescencji częściowej rzadko ulegał kolejnej koalescencji częściowej, podczas gdy na płaskiej warstwie obserwowano do trzech lub czterech takich zdarzeń. Zauważono również, że wysokość kolumny w obszarze wybrzuszenia fali była większa i najbardziej nachylona w kierunku przepływu w porównaniu z innymi obszarami.

W obszarze płaskiego filmu, w porównaniu z innymi obszarami uderzenia, obserwuje się zwiększoną tendencję do wystąpienia odbicia. Dzieje się tak ze względu na silną siłę smarowania działającą na kroplę przez ten cienki płaski film, co spowalnia drenaż/cieńczenie pośredniej warstwy powietrza między kroplą a filmem, zapobiegając tym samym ich połączeniu. Prowadzi to następnie do zaobserwowanej deformacji kropli, a w konsekwencji do jej oderwania. W porównaniu z tym, uderzenia w grzbiet fali są bardziej podatne na koalescencję częściową, co wynika częściowo z grubości filmu, braku istniejących wcześniej fal (jak w obszarze fal kapilarnych), a wreszcie ze zredukowanej siły smarowania spowodowanej recyrkulacją przepływu w tym regionie. Czynniki te łącznie prowadzą do generowania kolumn znacznie dłuższych niż te powstające w innych obszarach.

Wraz ze wzrostem szybkości przepływu filmu cieczowego (t.j. liczby Re filmu); uderzenia w fale kapilarne często skutkowały łagodnym ślizganiem się kropli po fali kapilarnej bez łączenia się (patrz Rysunek 5a-5h). Ta tocząca się kropla (Rysunek 5d-5f) następnie wspina się na nadchodzący pojedynczy wybrzuszenie (Rysunek 5g i 5h), gdzie ulega częściowej koalescencji (nie pokazano). Jednak wynik uderzenia w region płaskiego filmu zmienia się ze stabilnej koalescencji częściowej na tryb odbijania. W przypadku uderzenia w falę kapilarną, wzrost liczby Re filmu prowadził do powstania bardziej spiczastych fal kapilarnych, które następnie działały jak „poduszka”, po której „jechała” kropla, co wyjaśnia zaobserwowane ślizganie się kropli. Przy najniższej liczbie Re w regionie płaskiego filmu zazwyczaj obserwuje się bardzo szybkie oddzielenie się kropli (o rozmiarze 90% początkowej kropli), przy czym kropla ta wykazuje pewien tryb „tańczący”, zanim później połączy się, prowadząc do normalnej koalescencji częściowej. Nie obserwuje się tego jednak w innych regionach kontrolowanego filmu.

Wraz ze wzrostem kropli My_dzaobserwowano, że wysokość kolumny wzrosła zarówno w obszarze płaskiego filmu, jak i na grzbiecie fali, natomiast uległa zmniejszeniu w obszarze fali kapilarnej.

Ostatecznie, wraz ze zwiększeniem rozmiaru kropli, w obszarze płaskiego filmu zaobserwowano dłuższe i szersze kolumny, co z kolei doprowadziło do powstania większej kropli satelitarnej. Jednakże na grzbiecie fali nie zaobserwowano tego zjawiska; zamiast tego odnotowano przejście do całkowitej koalescencji. W przypadku fali kapilarnej zwiększenie rozmiaru kropli doprowadziło do ograniczenia jej poślizgu i przejścia do koalescencji częściowej. Największa kropla uległa jednak niemal natychmiast całkowitej koalescencji. Podsumowanie tych wyników przedstawiono w Tabeli 1.

Przy prędkości kropli powyżej 1,70 ± 0,03 m/s we wszystkich trzech obszarach powierzchni filmu obserwuje się rozbryzg (Rycina 6). Jednakże, mimo że w tym reżimie obserwuje się podobny rezultat, uderzające różnice występują w morfologii powstałej korony – jej wysokości, średnicy, grubości ścianek, kącie nachylenia, czasie koalescencji, a także w liczbie i rozkładzie wielkości wyrzuconych kropel wtórnych.

W „obszarze wybrzuszenia fali” struktura korony różni się od tej w „obszarach kapilarnych” i „filmie płaskim”, ponieważ jej kształt jest bardziej regularny. Posiada ona również grubszą ściankę korony, a wysokość korony jest większa niż ta obserwowana w „obszarach kapilarnych” i „filmie płaskim”. Z jej krawędzi odrywa się także mniej kropel wtórnych w porównaniu z koronami tworzącymi się w innych obszarach. Na koniec, przed zniesieniem korony przez płynący film, obserwuje się dłuższy czas koalescencji.

W „obszarze fal kapilarnych” i „obszarze filmu płaskiego” tworzące się korony różnią się od siebie pod względem szeregu cech. Po pierwsze zaobserwowano, że na wysokość tylną korony wpływają wybrzuszenia kapilarne, a także dynamika odwrócenia przepływu w tym „obszarze fal kapilarnych”, co sprawia, że utworzona korona wydaje się bardziej pionowa. To odwrócenie przepływu powoduje transport masy cieczy do tyłu, co zwiększa wysokość tylną utworzonej korony. Nie obserwuje się tego jednak w przypadku filmów płaskich: korona jest naturalnie nachylona w kierunku przepływu cieczy, a nachylenie to zwiększa się wraz ze wzrostem Re. Przechył ten można zaobserwować zarówno na górnym, jak i dolnym końcu korony. W porównaniu do nich, w przypadku fal kapilarnych, wraz ze wzrostem Re filmu tylna strona korony wydaje się stawać bardziej „pionowa”, co jest zjawiskiem przeciwnym do tego obserwowanego na filmach płaskich. Wysokość korony na filmie płaskim jest jednak większa niż na falach kapilarnych ze względu na ograniczenie przez podłoże. Na falach kapilarnych występuje również szybszy początek wyrzutu kropel wtórnych z krawędzi korony w porównaniu z filmami płaskimi. Wreszcie, na krawędzi korony na filmach płaskich wyrzucanych jest więcej kropel wtórnych niż na falach kapilarnych.

Ewolucja czasowa korony wykazuje słabą zależność średnicy korony od Re filmu we wszystkich obszarach przepływu. Najsłabsza zależność od Re jest obserwowana w „obszarze wybrzuszenia fali”. W „obszarze filmu płaskiego” zaobserwowano wzrost wysokości korony wraz ze wzrostem Re, zgodnie z oczekiwaniami, ponieważ wyższe Re wiążą się z grubszymi filmami. Stopień nachylenia korony w kierunku przepływu jest również większy wraz ze wzrostem Re w „obszarze filmu płaskiego” i „obszarze wybrzuszenia fali”; efekt ten wydaje się jednak mniej wyraźny w „obszarze fal kapilarnych”.

W „obszarze wybrzuszenia fali” (wave hump region) wraz ze wzrostem Re wyrzucanych jest mniej kropli wtórnych. Wydaje się, że wysokość korony wykazuje dość słabą zależność od Re, podczas gdy czas koalescencji korony maleje wraz ze wzrostem Re, co jest wynikiem zwiększonej prędkości płynącego filmu, na którym następuje uderzenie, co szybko odsuwa koalescencyjną koronę od pierwotnego punktu uderzenia. W „obszarze wybrzuszenia fali” następuje również zmiana nachylenia korony, zależna od konkurencji między bezwładnością uderzającej kropli a bezwładnością płynącego filmu. Przy niższych Re korona jest skierowana w kierunku z prądem, natomiast przy wyższych wartościach Re jest skierowana pod prąd (Rysunek 7). Tendencja ta nie jest obserwowana w „obszarach fali kapilarnej” oraz „filmu płaskiego”.

W „obszarze fal kapilarnych” przy niższych Re obserwuje się więcej kropel wtórnych. Odnotowuje się również wzrost całkowitej wysokości korony wraz ze wzrostem Re, a przy niższych Re wyrzut kropel następuje głównie w kierunku przepływu (przy czym krawędź korony jest wyższa z przodu niż z tyłu i jest również bardziej nachylona w kierunku przepływu). Wysokość staje się bardziej symetryczna przy wyższych Re, co prawdopodobnie wynika z efektu równoważącego wyższych wybrzuszeń fal kapilarnych z ich tylnej strony, co w ten sposób wyrównuje wysokość krawędzi korony z tyłu.

W przypadku efektu Webera dla kropli można zaobserwować, że średnica korony zwiększa się szybciej wraz ze wzrostem We_d; najwyższa szybkość wzrostu występuje w „obszarze wybrzuszenia fali” (wave hump region). Dalsze różnice zaobserwowane w liczbie i rozkładzie wielkości wyrzuconych kropel wtórnych w tym reżimie rozbryzgu przedstawiono odpowiednio na Ryc. 8 oraz Ryc. 9. Podsumowanie tych wyników przedstawiono w Tabeli 2.

Rycina 1: Układ eksperymentalny. (A) Schematyczna reprezentacja układu eksperymentalnego, składającego się z jednostki filmu spływającego do przepływu filmu cieczy na nachylonym szklanym podłożu; jednostki sterowania filmem (składającej się z zaworu elektromagnetycznego połączonego z przekaźnikiem bezzatrzaskowym za pomocą karty akwizycji danych oraz generatora funkcji, który wysyła zautomatyzowany sygnał sterujący otwieraniem i zamykaniem zaworu elektromagnetycznego); pompy strzykawkowej używanej do generowania kropel o kontrolowanych rozmiarach z obliczonych wysokości nad powierzchnią filmu oraz kamery wysokiej rozdzielczości do obrazowania cyfrowego. Uzyskane wyniki są analizowane w systemie komputerowym. Reprodukowano z Adebayo & Matar 2017¹⁵ za zgodą The Royal Society of Chemistry. (B) Widok obrazowy układu. (C) - (D) Opis obrazowy układu oświetlenia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 2: Wpływ kontroli grubości filmu na dynamikę ewolucji fal w przepływającej warstwie cieczy. (A) Obraz cieniowy powierzchni filmu przed kontrolą filmu. Film charakteryzuje się obecnością naturalnie powstających fal o charakterze stochastycznym, które wykazują nieregularną dynamikę czasoprzestrzenną. (B) Obraz cieniowy powierzchni filmu po wymuszeniu. Fale są regularne w przestrzeni i czasie oraz przewidywalne, co ułatwia badanie wpływu struktury przestrzennej na uderzenie kropli. (C) Powstawanie fal samotnych na kontrolowanym przepływającym filmie cieczy z wyróżnieniem różnych obszarów na powierzchni filmu t. j. obszary fal kapilarnych, płaskiej błony i wybrzuszeń falowych. (D) Powiększony widok pojedynczej struktury fali przedstawiający profil przepływu w każdej strefie. Reprodukcja z Adebayo & Matar 2017¹⁵ za zgodą The Royal Society of Chemistry. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ilustracji.

Rysunek 3: Rozdzielczość przestrzenna przy 5000 fps. Przy kącie nachylenia podłoża wynoszącym 15˚ obliczona rozdzielczość przestrzenna wynosi odpowiednio 67,5 µm/pixel w kierunku strumienia i 46,6 µm/pixel w kierunku poprzecznym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 4: Wpływ kontroli filmu na wynik uderzania kropel o niskiej inercji w różne obszary kontrolowanego przepływającego filmu, w zestawieniu z filmem niekontrolowanym.Wysokość spadku kropli wynosi 0,005 m, rozmiar kropli 3,3 mm, prędkość filmu 5 x 10^-3 m³/s, częstotliwość wymuszania 2 Hz, co odpowiada liczbie Re filmu 166,5, liczbie We kropli 3,134 oraz Oh 0,0021. Kropla zbliża się do powierzchni filmu (a) i w momencie kontaktu (b) wywołuje odsysanie warstwy powietrza znajdującej się między nią a filmem. Prowadzi to do deformacji kształtu kropli i radialnego rozprzestrzeniania się zmarszczek kapilarnych na powierzchni filmu, zainicjowanych w punkcie uderzenia (c-d). Po przerwaniu warstwy powietrza obserwuje się połączenie kropli cieczy z filmem cieczowym (e) oraz pionowy wzrost cylindrycznej kolumny cieczy (w przypadku koalescencji częściowej/całkowitej). Następnie następuje wznoszenie się fal kapilarnych na utworzonej kolumnie, co powoduje jej wydłużenie. Na koniec, w przypadku koalescencji częściowej, obserwuje się odrywanie się kropli satelitarnej (g-h), która jest mniejsza od początkowej kropli macierzystej. Widoczne jest również powtórzenie procesu koalescencji (i-j). Różnice jakościowe widoczne są w obserwowanych wynikach (odskakiwanie, ślizganie się lub koalescencja częściowa) oraz w obecności kaskady; natomiast różnice ilościowe obserwuje się w czasie odrywania, rozmiarze (wysokości i szerokości) utworzonej kolumny cieczy, rozmiarze wyrzuconej kropli satelitarnej oraz w punktach kaskady. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 5: Kropla przesuwająca się po obszarze fal kapilarnych w kontrolowanym przepływie filmu. Średnica kropli wynosi 2,3 mm, wysokość spadku 0,008 m, a natężenie przepływu filmu 10 x 10^-3 m³/s, co odpowiada O = 0.0024, My_d = 5,014 i film Re = odpowiednio 333. Wymuszanie przeprowadzono z częstotliwością 2 Hz. (a) Zbliżanie. (b) Kontakt. (c-f) Kropla tocząca się. (g-h) Wspinanie się po nadchodzącym pojedynczym wybrzuszeniu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Wpływ kontroli filmu na zjawiska rozpryskiwania w różnych obszarach uderzenia w kontrolowany przepływający film w porównaniu z filmem niekontrolowanym. Średnica kropli wynosi 3.3 mm, wysokość spadku 0.25 m, natomiast natężenie przepływu filmu to 5 x 10^-3 m³/s, co odpowiada odpowiednio Oh = 0.0021, We_d = 224.8 oraz Re filmu = 166.5. Wymuszanie przeprowadzano z częstotliwością 2 Hz. Kropla cieczy zbliża się do powierzchni filmu (a) i natychmiast po kontakcie (b) tworzy się arkusz wyrzutu, który rozwija się w koronę (c). Rosnąca korona (d-e) ulega następnie niestabilności Rayleigha-Plateau, co prowadzi do wyrzutu mniejszych kropel z jej krawędzi (f-j). Korona zapada się następnie i koalescuje z filmem (k), będąc odprowadzana przez nadchodzący przepływ. Wyjątkowe różnice w wyniku uderzenia w poszczególnych obszarach uderzenia są widoczne w rozmiarze (wysokości i średnicy) utworzonej korony, liczbie i rozkładzie wielkości wyrzuconych kropli wtórnych, stopniu nachylenia korony, grubości ścianek, kierunku skierowania korony oraz końcowym czasie koalescencji. Reprodukowano z Adebayo & Matar 2017¹⁵ za zgodą The Royal Society of Chemistry. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 7: Wpływ liczby Reynoldsa filmu oraz liczby Webera kropli na propagację korony w „obszarze wybrzuszenia fali”. Rozmiar kropli wynosi 3,3 mm, co odpowiada Oh = 0,0021, a wysokość upadku kropli zmieniano w zakresie od 0,20 do 0,35 m (co odpowiada We_d = 179,8 - 314,7), podczas gdy Re mieści się w zakresie od 55,5 do 333. Czerwone romby przedstawiają wyniki, w których korona jest skierowana z prądem, natomiast niebieskie romby pokazują wyniki z koroną skierowaną pod prąd. Na nachylenie korony wpływa konkurencja między bezwładnością uderzającej kropli a bezwładnością płynącego filmu. Konkretnie, przy niskich Re korona jest nachylona w kierunku strumienia, ale w miarę wzrostu znaczenia bezwładności płynącego filmu kierunek ulega zmianie i korona zwraca się pod prąd. Ten kierunek skierowania korony pod prąd jest utrzymywany powyżej wartości Re wynoszącej około 250, niezależnie od wartości We_d. Powielono z Adebayo & Matar 2017¹⁵ za zgodą The Royal Society of Chemistry. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej ryciny.

Rycina 8: Zmiana liczby wtórnych kropli wyrzucanych z krawędzi korony w różnych obszarach uderzenia kontrolowanego filmu (tj. obszary „fali kapilarnej”, „filmu płaskiego” i „grzbietu fali”, pokazane odpowiednio od lewej do prawej) w zestawieniu z filmem niekontrolowanym. Rozmiar kropli wynosi 3,3 mm, co odpowiada Oh = 0,0021, a wysokości upadku kropli były zmieniane w zakresie od 0,20 do 0,35, co skutkowało prędkościami uderzenia w zakresie 1,981 - 2,621 m/s (odpowiadającymi We_d = 179,8 - 314,7). Czerwone prostokąty przedstawiają wysokość upadku kropli 0,35 m, zielone romby 0,3 m, niebieskie koła 0,25 m i pomarańczowe kwadraty odpowiednio 0,2 m. Liczba wyrzucanych wtórnych kropli wzrasta wraz ze wzrostem We kropli we wszystkich obszarach, podczas gdy przy wzroście Re filmu obserwuje się nierówny trend: na grzbiecie fali następuje spadek liczby wyrzucanych wtórnych kropli, natomiast w obszarach fali kapilarnej i filmu płaskiego obserwuje się niewielki wzrost. W przypadku fali kapilarnej zauważalny jest spadek w okolicach Re filmu 166,5, co jest wynikiem konkurencji między prędkościami stycznymi kropli i filmu. Uważa się, że nieproporcjonalny trend zaobserwowany na filmach niekontrolowanych wynika ze stochastycznego charakteru fal na powierzchni filmu. Powielono z Adebayo & Matar 2017¹⁵ za zgodą The Royal Society of Chemistry. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 9: Wpływ regionu uderzenia na rozkład wielkości wyrzucanych wtórnych kropli na filmie kontrolowanym w zestawieniu z filmem niekontrolowanym. Wielkość kropli wynosi 3.3 mm, a natężenie przepływu filmu 5 x 10^-3 m³/s, co odpowiada liczbie Re filmu 166.5 oraz liczbie Oh kropli 0.0021. Wysokości upadku kropli wynoszą 0.2, 0.25, 0.3 i 0.35 m, co odpowiada odpowiednio We_d 179.8, 224.8, 269.8 i 314.7. W przypadku fali kapilarnej kształt rozkładu pozostaje w dużej mierze niezmieniony wraz ze wzrostem liczby Webera, jednak zauważalny jest wzrost liczby kropli w zakresie od 0.5 do 1.0 mm. Natomiast na płaskich filmach zaobserwowano, że rozkład wielkości zmienia się w zakresie od 0 do 2.0 mm, a wraz ze wzrostem liczby Webera widoczne jest przesunięcie w stronę kropli o rozmiarach od 0 do 0.5 mm. Ten wzrost liczby wyrzucanych małych kropli wyraźnie odróżnia region płaskiego filmu od pozostałych regionów. Na grzbiecie fali rozkład wielkości wykazuje, że duże krople w zakresie (1.0 do 2.0 mm) są wyrzucane nawet dla najmniejszej badanej liczby Webera. W przeciwieństwie do powyższych, rozkłady wielkości kropli związane z filmem niekontrolowanym nie wykazują wyraźnie odmiennego kształtu ze względu na stochastyczny charakter fal na takich filmach. Powielono z Adebayo & Matar 2017¹⁵ za zgodą The Royal Society of Chemistry. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Parametry	Obszar fal kapilarnych	Obszar płaskiej błony	Obszar wybrzuszenia fali
Wysokość wierzchołka słupa cieczy	Krótki	Pożywka	Wysoki
Wielkość kropli satelitarnej	Small	Średnia	Duży
Istnienie kaskady	Rzadki	Tak	Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia.
Wpływ Re zwiększyć	Zjawiska poślizgu	Zjawiska odbicia	Przejście do całkowitej koalescencji
Wpływ My zwiększyć	Zmniejszenie wysokości kolumny	Zwiększenie wysokości kolumny	Zwiększenie wysokości kolumny
Wpływ O zmniejszenie	Zredukowane poślizgiwanie się kropli	Dłuższe i szersze kolumny, większe krople satelitarne	Przejście do pełnej koalescencji

Tabela 1. Różnice parametryczne w dynamice uderzenia kropel o niskiej inercji w różnych obszarach kontrolowanego przepływającego filmu.

Parametry	Obszar fal kapilarnych	Obszar płaskiej błony	Obszar wybrzuszenia fali
Kształt korony	Nieregularny	Nieregularny	Regularny
Wysokość korony	Wysoki	Wyższy	Najwyższy
Grubość ścianki sklepienia	Cienki	Rozcieńczalnik	Gruba
Liczba kropel wtórnych	Więcej	Większość	Mało/brak
Kąt nachylenia korony	Redukcja za pomocą folii Re	Wzrasta wraz z grubością filmu Re	Cofanie poza Re 250
Czas koalescencji	Szybki	Wolny	Bardziej opóźnione
Wpływ filmu Re  zwiększenie	Korona staje się bardziej „wyprostowana”	Wzrost wysokości wybrzuszenia, większe nachylenie wybrzuszenia w kierunku przepływu filmu,	Zmniejszenie liczby kropel wtórnych, zmiana kierunku skierowania korony poza Re 250
Wpływ wzrostu liczby Webera kropli	Wcześniejszy początek i zwiększona liczba kropel wtórnych oraz zwiększenie średnicy korony.	Wzrost liczby kropel wtórnych, wysokości korony oraz średnicy korony; zmniejszenie rozmiaru kropel wtórnych	Zwiększenie liczby kropel wtórnych, wysokości korony, średnicy korony, czasu koalescencji oraz zmiana kierunku skierowania korony.
Efekt kropli Oh zmniejszenie	Zwiększenie średnicy i wysokości korony	Zwiększenie średnicy i wysokości korony	Wzrost średnicy i wysokości korony

Tabela 2. Różnice parametryczne w dynamice uderzenia kropli o wysokiej inercji w różnych obszarach kontrolowanego przepływającego filmu (reżim rozbryzgu).

Dyskusja

W tej sekcji przedstawiamy kilka wskazówek niezbędnych do zapewnienia uzyskania jakościowych wyników z protokołu. Po pierwsze, szklane podłoże, po którym spływa płynny film, musi być całkowicie wolne od zanieczyszczeń, aby zapewnić nienaruszone właściwości płynnej folii. Można to osiągnąć poprzez regularne czyszczenie (prawdopodobnie przy użyciu odpowiedniego detergentu i wycieranie nad tacką, aby uniknąć rozpuszczenia w systemie). Podobnie, po kilku rundach eksperymentalnych należy regularnie wymieniać cały płyn testowy, aby zagwarantować dokładne wyniki.

Po drugie, komora dystrybucji płynów musi być dobrze zazębiona, a także szczelna, aby zapewnić równomierność wypływającego filmu cieczy. Można to zrobić, ręcznie odsysając powietrze ze skrzynki rozdzielczej przed każdym eksperymentem. Zaleca się również stosowanie kroków mikrometrycznych na wlocie folii w celu ustawienia wysokości przerwy na wlocie folii na dokładną grubość folii przewidywaną przez oszacowanie przepływu folii przez Nusselta przy odpowiedniej liczbie Reynoldsa. Zapobiegnie to skokowi hydraulicznemu lub przepływowi wstecznemu na wlocie.

Działanie zaworu elektromagnetycznego musi być również zawsze sprawdzane i ustalane prawidłowo. Dzieje się tak dlatego, że wymagana jest odpowiednia pulsacja przepływu, aby zapewnić wytworzenie fal wymuszonych. Można to sprawdzić na podstawie regularnego dźwięku kliknięcia zaworu elektromagnetycznego, a także odczuwalnej pulsacji wzdłuż rur łączących. Natężenie przepływu cieczy do pompy strzykawkowej musi być również starannie ustawione, aby kropelki były wyrzucane w sposób kapiący, unikając wstępnego przyspieszenia przed upadkiem.

Aby uzyskać bardzo dokładne wyniki, należy zapewnić odpowiednią kalibrację kamery szybkoobrotowej. Rozmiar przysłony musi być również starannie dobrany, biorąc pod uwagę takie parametry, jak głębia ostrości, czas naświetlania i ogólna jasność obrazu. W przypadku wyzwalania kamery podczas nagrywania wideo użytkownicy są również zobowiązani do oszacowania, ile klatek powinno zostać nagranych przed wyzwoleniem. Może się to różnić w zależności od osoby, w zależności od czasu uderzenia upadku, dlatego przed właściwymi pomiarami zaleca się wykonanie kilku testów próbnych do ćwiczeń. Podobnie źródło światła musi być odpowiednio rozmieszczone i dobrze rozproszone, aby zminimalizować cienie na obrazie.

Ważne jest, aby zauważyć i pamiętać, że głównym celem badania jest wkład fal w dynamikę uderzeń spadających kropli, stąd tworzenie regularnych struktur falowych jest niezbędne do dokładnego badania fizyki leżącej u podstaw. W scenariuszach, w których obserwuje się, że struktury falowe szybko przechodzą w struktury trójwymiarowe, zaleca się zmniejszenie kąta nachylenia podłoża o^14,19, aby ułatwić wolniejsze przejście struktur falowych.

Jedno ograniczenie tej techniki obserwuje się w przypadku braku urządzenia pomiarowego określającego rzeczywistą chwilową grubość warstwy w każdym obszarze uderzenia. Dostarczyłoby to dodatkowych szczegółów na temat ogółu obserwowanych zjawisk.

Podsumowując, procedura opisana w tym raporcie może być również wykorzystana do badania prostej dynamiki ewolucji fal, podczas gdy opisany system szybkiego obrazowania może być zastosowany w wielu dziedzinach badawczych o szybkiej dynamice, takich jak rozpad kropli cieczy^21,22 / koalescencja²³, dżety ziarniste²⁴ itp., gdzie obserwuje się ważne zjawiska w mikroskali czasowej.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Generator funkcyjny	GW INSTEK	AFG 2005 Series, cyfrowy. Geo0852266	Wytwarza zróżnicowany rodzaj sygnałów falowych, od sinusoidalnych, kwadratowych do piłokształtnych o różnych częstotliwościach (0,1 Hz - 5 MHz).
Pompa strzykawkowa	Braintree Scientific Inc.	Bs-8000 / 225540
Zawór elektromagnetyczny	SMC-VXD	2142A. 0AE-5001	Dwuportowy przekaźnik sterowany pilotem
	Takamisara	A5W-K. 154424C-03L
Pompa elektryczna	Clarke SP	SPE1200SS 1
Przepływomierz	RS Komponent	CYNERGY3 UF25B 14011600040110	Zakres pomiarowy: 0,2-25 l/min
Krok mikrometryczny	RS Komponent	Głowica mikrometryczna	0,01 mm/0 -13 mm
Szybka kamera	Olympus	I-SPEED 3.	Możliwość nagrywania z prędkością do 100 000 klatek na sekundę.
Źródło światła	TLC Electrical supplies	IP54 -	Podwójny zamknięty naświetlacz halogenowy. Moc 500 W.
Dyfuzor światła	OptiGraphix	DFPMET	250 μ m grubość
Podłoże szklane	Instrument Glasses Ltd	Soda Lime Float Glass; 570 mm x 300 mm x 4 mm	Tolerancja płaskości 0,02/0,04.
Obiektywy makro	(a) Nikon (b) Sigma	(a) AF-Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 D (b) 105 mm f/2.8 Macro-Ex
Test-płynna	woda dejonizowana z laboratorium analitycznego Imperial College.	Roztwór wzorcowy (AnalaR)