Name: Kontrola filmu w celu zbadania wpływu fal na dynamikę oddziaływania kropel na cienkie, płynące warstwy cieczy (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 8 s
Description: Poznaj metodę badania dynamiki uderzenia kropel na cienkie, płynące warstwy cieczy z wykorzystaniem kontroli fal. Protokół umożliwia szczegółową analizę zjawisk krótkotrwałych w dynamice płynów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca była sponsorowana przez Petroleum Technology Development Fund (PTDF, Nigeria) oraz Engineering and Physical Sciences Research Council, Wielka Brytania, poprzez Grant Programu MEMPHIS (numer grantu EP/K003976/1). Autorzy doceniają również owocne rozmowy z dr Zhizhao Che.

1. Konfiguracja platformy eksperymentalnej
UWAGA: Zobacz Rysunek 1.
<ol>
	<li>Jednostka opadającej folii
	<ol>
		<li>Zacznij od oczyszczenia powierzchni podłoża (szkła) czystą, miękką szmatką. Upewnij się, że do jego powierzchni nie przykleił się brud, który mógłby zmienić właściwości płynu.</li>
		<li>Ustaw oś szklanego podłoża na żądany kąt nachylenia. W pracy tej zastosowano kąt nachylenia β 15°.</li>
		<li>Włącz pompę elektryczną i zapewnij normalny przepływ cieczy na powierzchni folii, aby dodatkowo oczyścić szklane podłoże. Do tej pracy cieczą testową była woda dejonizowana.</li>
		<li>Upewnij się, że cała powierzchnia podłoża jest zwilżona.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Stopniowo reguluj zawory na przyłączu przepływu, aby uzyskać pożądane natężenie przepływu na szklanym podłożu.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Ręcznie odsysać całe powietrze w komorze dystrybucyjnej, aby uzyskać równomierny przepływ po powierzchni folii.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Jednostka sterująca folią
	<ol>
		<li>Upewnij się, że generator funkcyjny jest podłączony do zaworu elektromagnetycznego za pomocą nieblokującego przekaźnika za pośrednictwem karty akwizycji danych (DAC).</li>
		<li>Włączyć zarówno zawór elektromagnetyczny, jak i generator funkcyjny.</li>
		<li>Ustawić generator funkcyjny na żądaną częstotliwość wymuszania. W pracy tej wykorzystano częstotliwości 2 i 3 Hz.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>System generowania kropel
	<ol>
		<li>Podłącz czystą plastikową rurkę do strzykawki wypełnionej wodą.</li>
		<li>Włożyć strzykawkę do generatora kropel.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Ustawić żądane natężenie przepływu dla pompy strzykawkowej.</li>
		<li>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 regionem19,20.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Konfiguracja szybkiego obrazowania
	<ol>
		<li>Umieść aparat na statywie, stojaku (lub innym odpowiednim układzie).</li>
		<li>Wybierz obiektyw makro o żądanej ogniskowej i podłącz go do aparatu.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Wyreguluj ostrość obiektywu aparatu (na największej przysłonie) za pomocą elementu kalibracyjnego umieszczonego dokładnie w miejscu uderzenia kropli.</li>
		<li>Po uzyskaniu ostrej ostrości zmniejsz przysłonę, aby upewnić się, że do aparatu wpada tylko niewielka ilość światła.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Umieść dyfuzor światła przed źródłem światła, jak pokazano na Rysunek 1C, aby upewnić się, że światło jest równomiernie rozproszone w całym obszarze obrazowania.</li>
		<li>Włącz źródło światła, aby potwierdzić równomierne rozprowadzenie światła w obszarze obrazowania.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Kalibracja
UWAGA: Zobacz Rysunek 3.
<ol>
	<li>Umieść linijkę w kierunku przepływu folii (dokładnie w miejscu uderzenia) i uzyskaj migawki zmierzonych punktów na powierzchni folii.</li>
	<li>Powtórz czynności 2.1, ale z linijką w kierunku rozpiętości.</li>
	<li>Skorzystaj z powyższego, aby uzyskać rozdzielczości przestrzenne na powierzchni folii.</li>
</ol>
3. Nagrywanie wideo i akwizycja danych
<ol>
	<li>Po ustaleniu przepływu folii na platformie uruchom pompę strzykawkową i obserwuj wpływ kapiących kropli na powierzchnię folii.</li>
	<li>Uruchom generator funkcyjny i obserwuj wytwarzanie fal czasoprzestrzennie regularnych na powierzchni folii.</li>
	<li>Upewnij się, że kolejne krople wpływają na różne obszary kontrolowanej powierzchni folii.</li>
	<li>Zwróć uwagę na numer klatki po wyzwoleniu i ustaw go na około połowę długości filmu, aby odpowiednio uchwycić wpływ.</li>
	<li>Włącz źródło światła i uruchom przechwytywanie obrazu, gdy nastąpi uderzenie.</li>
	<li>Wyłącz źródło światła po zakończeniu przechwytywania obrazu, aby uniknąć przegrzania płynnej folii.</li>
	<li>Przeanalizuj wizualnie uzyskaną migawkę na ekranie komputera. Sprawdź, czy uderzenie nastąpiło w jednym z obszarów płaskiej folii, fali kapilarnej lub garbu falowego.</li>
	<li>Przytnij wideo do części pokazującej proces wpływu i zapisz zakres klatek w formacie wideo/obrazu.</li>
	<li>Powtórz 3,5 - 3,8 i zapisz indywidualne uderzenie we wszystkie obszary na powierzchni filmu, a mianowicie samotny garb, fale kapilarne i płaską folię.</li>
</ol>
4. Przetwarzanie końcowe i analiza obrazu
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Porównaj wyniki procesu wpływu na różnych obszarach wpływu z obrazów o dużej prędkości. Sprawdź, aby zobaczyć zauważalne różnice.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Obserwuj wszystkie różnice jakościowe w każdym regionie.</li>
</ol>

<ol><li>Yarin, A. L. <a target="_blank" href="https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.fluid.38.050304.092144">Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing….</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 38, 159-192 (2006).</li>
<li>Rein, M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1016/0169-5983(93)90106-K/meta">Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces.</a> Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).</li>
<li>Liang, G., Mudawar, I. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931016304136">Review of mass and momentum interactions during drop impact on a liquid film.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 101, 577-599 (2016).</li>
<li>Dam, D. B., Le Clerc, C. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1773551">Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate.</a> Physics of Fluids. 16 (9), 3403-3414 (2004).</li>
<li>Worthington, A. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWorthington%2C+AM+%22A+study+of+splashes%22">A study of splashes</a>. , Longmans, Green, and Company. (1908).</li>
<li>Edgerton, H. E., Killian, J. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEdgerton%2C+HE+%22Flash%21+Seeing+the+unseen+by+ultra-high-speed+photography%22">Flash! Seeing the unseen by ultra-high-speed photography</a>. , CT Branford Co. (1954).</li>
<li>Josserand, C., Thoroddsen, S. T. <a target="_blank" href="https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-fluid-122414-034401">Drop impact on a solid surface.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).</li>
<li>Kolinski, J. M., Mahadevan, L., Rubinstein, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lift-off+instability+during+the+impact+of+a+drop+on+a+solid+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Lift-off instability during the impact of a drop on a solid surface.</a> Physical Review Letters. 112 (13), 134501(2014).</li>
<li>Hobbs, P. V., Osheroff, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Splashing+of+drops+on+shallow+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Splashing of drops on shallow liquids.</a> Science. 158 (3805), 1184-1186 (1967).</li>
<li>Adomeit, P., Renz, U. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301932299000798">Hydrodynamics of three-dimensional waves in laminar falling films.</a> International Journal of Multiphase Flow. 26 (7), 1183-1208 (2000).</li>
<li>Blanchette, F., Bigioni, T. P. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/dynamics-of-drop-coalescence-at-fluid-interfaces/B66DFE98A0DC1B74FB892E614A503B39">Dynamics of drop coalescence at fluid interfaces.</a> Journal of Fluid Mechanics. 620, 333-352 (2009).</li>
<li>Wang, A. B., Chen, C. C. <a target="_blank" href="https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1287511">Splashing impact of a single drop onto very thin liquid films.</a> Physics of Fluids. 12 (9), 2155-2158 (2000).</li>
<li>Che, Z., Deygas, A., Matar, O. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+droplets+on+inclined+flowing+liquid+films%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Impact of droplets on inclined flowing liquid films.</a> Physical Review E. 92 (2), 023032(2015).</li>
<li>Craster, R. V., Matar, O. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+and+stability+of+thin+liquid+films%5BTitle%5D)+AND+%22Reviews+of+Modern+Physics%22%5BJournal%5D)">Dynamics and stability of thin liquid films.</a> Reviews of Modern Physics. 81 (3), 1131(2009).</li>
<li>Adebayo, I. T., Matar, O. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet+impact+on+flowing+liquid+films+with+inlet+forcing%3A+the+splashing+regime%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Droplet impact on flowing liquid films with inlet forcing: the splashing regime.</a> Soft Matter. 13 (41), 7473-7485 (2017).</li>
<li>Chang, H. H., Demekhin, E. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aChang%2C+HH+%22Complex+wave+dynamics+on+thin+films%22">Complex wave dynamics on thin films</a>. 14, Elsevier. (2002).</li>
<li>Liu, J., Gollub, J. P. <a target="_blank" href="https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.868232">Solitary wave dynamics of film flows.</a> Physics of Fluids. 6 (5), 1702-1712 (1994).</li>
<li>Benjamin, T. B. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/services/aop-cambridge-core/content/view/S0022112057000373">Wave formation in laminar flow down an inclined plane.</a> Journal of Fluid Mechanics. 2 (6), 554-573 (1957).</li>
<li>Kalliadasis, S., Ruyer-Quil, C., Scheid, B., Velarde, M. G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKalliadasis%2C+S+%22Falling+liquid+films%22">Falling liquid films</a>. 176, Springer Science & Business Media. (2011).</li>
<li>Adebayo, I., Xie, Z., Che, Z., Matar, O. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Doubly+excited+pulse+waves+on+thin+liquid+films+flowing+down+an+inclined+plane%3A+An+experimental+and+numerical+study%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Doubly excited pulse waves on thin liquid films flowing down an inclined plane: An experimental and numerical study.</a> Physical Review E. 96 (1), 013118(2017).</li>
<li>Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Asymmetric+Disconnection+of+an+Underwater+Air+Bubble%3A+Persistent+Neck+Vibrations+Evolve+into+a+smooth+Contact%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact.</a> Physical Review Letters. 103, 124501(2009).</li>
<li>Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet+Formation+and+Scaling+in+Dense+Suspensions%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 4389-4394 (2012).</li>
<li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Physical Review Letters. 103, 114501(2011).</li>
<li>Royer, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Birth+and+growth+of+a+granular+jet%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Birth and growth of a granular jet.</a> Physical Review E. 78, 011305(2008).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do zadeklarowania.

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 o14,19, 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 cieczy21,22 / koalescencja23, dżety ziarniste24 itp., gdzie obserwuje się ważne zjawiska w mikroskali czasowej.

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 upraw3,4. 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 stałych7,8, płytkich, 9 i głębokich basenów cieczy10,11 do cienkich folii12,13.
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 przodu16,17,18. 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.

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

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

Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films

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.

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

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

Droplet impact is a very common phenomenon in nature and attracts attention due to its aesthetic fascination and wide-ranging applications. Previous ...

Metoda ta może pomóc nam odpowiedzieć na kluczowe pytania w zakresie płynących warstw cieczy, cienkich warstw, uderzeń kropel. Przejdźmy do ewolucji dynamiki fal. Rozpadają się na zlewać się kropel, a także zakorzeniają się w zatrzaskach. Główną zaletą tej techniki jest to, że daje nam ona możliwość bardzo dokładnego badania zjawisk w krótkiej skali czasowej. Aby rozpocząć procedurę, wyczyść płaskie szklane podłoże miękką szmatką, aby usunąć cały brud i cząstki stałe z powierzchni podłoża. Ustaw oś podłoża na żądany kąt nachylenia. Napełnij zbiornik badaną cieczą, taką jak woda dejonizowana. Uruchom pompę płynu i upewnij się, że ciecz przepływa normalnie po całej powierzchni podłoża. Sprawdź odczyt natężenia przepływu na przepływomierzu i stopniowo reguluj zawór przepływu bezpośredniego, aby uzyskać żądane natężenie przepływu. Następnie, aby uniknąć przeskoku hydraulicznego na wlocie folii lub złego przepływu powietrza do komory dystrybucyjnej, wyreguluj koniec noża komory dystrybucyjnej, aby ustawić wysokość szczeliny na głowicy folii na dokładną wartość grubości warstwy wycieranej dla natężenia przepływu. Ręcznie odsysać powietrze z komory dystrybucyjnej, aby zapewnić normalny, równomierny przepływ cieczy po całym podłożu. Następnie upewnij się, że generator funkcyjny jest podłączony do zaworu elektromagnetycznego na ścieżce przepływu cieczy przez przekaźnik nieblokujący. Następnie włącz generator funkcyjny i zawór elektromagnetyczny. Ustaw generator funkcyjny na żądaną częstotliwość wymuszania i przebieg. Następnie napełnij strzykawkę żądanym płynem testowym, takim jak woda dejonizowana. Podłącz czystą plastikową rurkę do strzykawki i zamontuj strzykawkę w zespole generatora kropel. Podłącz igłę o żądanej średnicy do drugiego końca plastikowej rurki za pomocą taśmy papierowej. Zamontuj rurkę i strzykawkę w zespole. Dostosuj pozycję igły, aby uzyskać żądaną wysokość upadku i strumieniową odległość punktu uderzenia od wlotu folii. Uruchomić pompkę strzykawkową i wyregulować natężenie przepływu tak, aby kropelki wody kapały z igły na folię bez wykrywalnego przyspieszenia wstępnego. Kontynuuj regulację natężenia przepływu, aby uzyskać częstotliwość generowania kropel, która odpowiada długości fali fal na powierzchni folii, co zapewnia, że kropelki będą spadać na różne obszary folii. Umieść dyfuzory światła przed źródłami światła i włącz światło. Upewnij się, że obszar obrazowania jest równomiernie oświetlony, a następnie wyłącz światło. Następnie wyłącz generator funkcyjny i generator kropelkowy. Zamontuj szybką kamerę na statywie. Dopasuj aparat do makroobiektywu o żądanej ogniskowej i włącz aparat. Ustaw ostrość aparatu na powierzchni filmu za pomocą 7

film-control-to-study-contributions-waves-to-droplet-impact-dynamics

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

W tym filmie najpierw opisujemy procedury produkcji i obsługi akustycznego urządzenia przeciwprądowego powierzchniowej fali akustycznej (SAW). Następnie demonstrujemy eksperymentalną konfigurację, która pozwala zarówno na jakościową wizualizację przepływu, jak i analizę ilościową złożonych przepływów w urządzeniu pompującym SAW.

Wytwarzanie, eksploatacja i wizualizacja przepływu w mikrofluidyce akustyczno-przeciwprądowej opartej na powierzchniowych falach akustycznych

Wpływ kropli płynów nienewtonowskich jest złożonym procesem, ponieważ różne parametry fizyczne wpływają na dynamikę w bardzo krótkim czasie (mniej niż jedna dziesiąta milisekundy). Wprowadzono technikę szybkiego obrazowania w celu scharakteryzowania zachowań zderzeniowych różnych płynów nienewtonowskich.

Technika szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich

Opisano protokół produkcji i obsługi urządzeń do odwadniania pól (Field-DW), a także wstępne badania wpływu pól elektrycznych na zawartość kropel.

Wykorzystanie zmniejszonej interakcji kropelka-powierzchnia w celu optymalizacji transportu bioanalitów w cyfrowej mikrofluidyce

Opisano dwa eksperymentalne urządzenia do badania uderzenia strumienia cieczy w poruszającą się powierzchnię o dużej prędkości: urządzenie z armatą powietrzną i urządzenie z wirującym dyskiem. Aparatura służy do określania optymalnych podejść do stosowania płynnego modyfikatora tarcia (LFM) na torach kolejowych w celu kontroli tarcia na szczycie szyny.

Wizualizacja zaparcia strumienia cieczy o dużej prędkości na ruchomej powierzchni

Eksperymentalnie dostępna analogowa metoda badania molekularnych procesów hydrodynamicznych w gęstych płynach jest prezentowana. Technika ta wykorzystuje obrazowanie prędkości cząstek wibrujących pryzm zboża o wysokiej restytucji i umożliwia bezpośrednią, makroskopową obserwację procesów dynamicznych, o których wiadomo i przewiduje się, że zachodzą w silnie oddziałujących gazach i cieczach o dużej gęstości.

Analogowa technika makroskopowa do badania molekularnych procesów hydrodynamicznych w gęstych gazach i cieczach

Prezentowane są dwie różne metody charakteryzowania początkowego ruchu cząstek pojedynczego koralika jako funkcji geometrii złoża osadu od przepływu laminarnego do turbulentnego.

Wizualna charakterystyka początkowego ruchu cząstek w regularnych podłożach: od warunków laminarnych do turbulentnych

Technika opisana tutaj oferuje tanią i stosunkowo prostą metodę jednoczesnego pomiaru kinematyki cząstek i turbulencji w przepływach o niskich stężeniach cząstek. Turbulencje są mierzone za pomocą prędkości obrazu cząstek (PIV), a kinematyka cząstek jest obliczana na podstawie obrazów uzyskanych za pomocą szybkiej kamery w nakładającym się polu widzenia.

Jednoczesny pomiar turbulencji i kinematyki cząstek z wykorzystaniem technik obrazowania przepływowego

Ten protokół demonstruje podstawową konfigurację eksperymentalną dla eksperymentów z wejściem do wody z swobodnie spadającymi kulami. Omówiono metody zmiany powierzchni cieczy za pomocą przenikalnych tkanin, przygotowania kulek niezwilżających chemicznie oraz etapów wizualizacji rozprysków i ekstrakcji danych.

Uderzenia swobodnie spadających kul w głębokim basenie cieczy ze zmienionymi warunkami powierzchni płynu i impaktora

Protokół ma na celu zbadanie interakcji między kropelkami a superhydrofobowymi substratami w powietrzu. Obejmuje to kalibrację systemu pomiarowego i pomiar siły oddziaływania na podłożach superhydrofobowych o różnych frakcjach siatki.

Pomiar siły oddziaływania między kroplą a podłożem superhydrofobowym metodą dźwigni optycznej

Ten protokół umożliwia efektywne zbieranie eksperymentalnych obrazów uderzeń kropel cieczy z dużą prędkością oraz szybką analizę tych danych w partiach. Aby usprawnić te procesy, metoda opisuje, jak skalibrować i ustawić aparaturę, wygenerować odpowiednią strukturę danych i wdrożyć skrypt do analizy obrazu.

Wysokoprzepustowa analiza uderzeń kropel cieczy

Opisano wytwarzanie piezoelektrycznych przetworników grubości poprzez rozpylanie elektrod płytkowych prądem stałym na niobianie litu. Dodatkowo, niezawodna praca jest osiągana dzięki uchwytowi przetwornika i systemowi zasilania płynem, a charakteryzacja jest demonstrowana za pomocą analizy impedancji, laserowej wibrometrii dopplerowskiej, szybkiego obrazowania i rozkładu wielkości kropel za pomocą rozpraszania laserowego.

Wytwarzanie i charakterystyka urządzeń piezoelektrycznych w trybie grubości do atomizacji i akustofluidyki

Poznaj metodę badania dynamiki uderzenia kropel na cienkie, płynące warstwy cieczy z wykorzystaniem kontroli fal. Protokół umożliwia szczegółową analizę zjawisk krótkotrwałych w dynamice płynów.

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

Przeglądaj więcej filmów