Summary
Протокол для изучения вклад волн капелька влияние динамики на течет жидкость фильмов представлена.
Abstract
Капелька воздействия является очень распространенным явлением в природе и привлекает внимание его эстетическое очарование и широкого применения. Предыдущие исследования на течет жидкость фильмов пренебрегали вклад пространственных структур волн результатов воздействия, в то время, как это недавно было показано, оказывают значительное влияние на снижение воздействия динамики. В настоящем докладе мы приводим пошаговые процедуры исследовать эффект периодического входе принудительного течет жидкой пленки, ведущие к производству spatiotemporally очередной волны структур на падение влияния динамики. Генератор функций в связи с электромагнитный клапан используется для возбуждения этих структур spatiotemporally очередной волны на поверхности пленки, в то время как влияние динамики единообразного размера капель фиксируются с помощью высокоскоростной камеры. Затем изучаются три отдельных регионов; viz. капиллярные волны региона, предшествующих пик большой волны, плоская пленка региона и региона горб волны. Последствия важных безразмерных количествах, таких как фильм Рейнольдс, падение Вебер и Ohnesorge номера, параметризован фильм скорость потока, скорость падения и падение размер также рассматриваются. Наши результаты показывают интересно, до сих пор неоткрытых динамика, вызванные это применение фильм входе заставляя течет фильма для обоих низкой и высокой инерции капель.
Introduction
Капелька воздействия является очень распространенным явлением в природе и привлекает внимание от любого любопытно наблюдатель1. Он представляет активную исследовательскую область из-за его многочисленных приложений, включая спрей охлаждения, пожаротушения, струйной печати, спрей покрытие, осаждения припой шишки на печатных плат, проектирование двигателей внутреннего сгорания, Очистка поверхности и клетки печать2. Его применение распространяется также на сельском хозяйстве, например, орошения, орошения и урожая опрыскивание3,4. Новаторская работа восходит к 19-го века, с работой Уортингтон5, в то время как крупные только недавно достигнуты благодаря появлению высокоскоростной обработки изображений6. С тех пор были проведены несколько исследований; использование различных типов воздействия поверхностей, начиная от твердых веществ7,8, мелкие,9 и10,глубоко жидких бассейнов11 тонких пленок12,13.
Однако несмотря на большой объем исследований о воздействии капелька на жидкой поверхности (т.е., мелкие и глубокие бассейны и покоя фильмов), воздействие на течет жидкость пленок не получила столько внимания. Кроме того до сих пор исследования пренебрегали вклад пространственных структур волн капелька влияние динамики.
В настоящем докладе мы представляем подробную экспериментальной процедуры для изучения процесса воздействия капелька на течет фильмов, динамика которого находятся под влиянием входе заставляя расхода жидкости; Ниже мы называем их «контролируемых» фильмов. Мы находим, что они имеют множество приложений в многофазных отраслях (например, в Охлаждающие башни, ректификационные колонны и также в режиме кольцевого потока наблюдается в двухфазных потоков), особенно, как фильм управления стало важным шагом в интенсификация тепло-и массопереноса в многих отраслях процесса14. Заинтересовавшийся читатель называется нашей предыдущей работы15 для более подробной информации о результатах наших исследований по этому вопросу.
Это применение частоты колебаний скорости потока входе приводит к образованию регулярных волн на поверхности пленки. Мы сосредоточены на одиночной волны семья, которая по существу характеризуется широко разделенных узкие пики и предшествует серия передовое капиллярных волн16,17,18. Мы изучить результаты воздействия, связанные с тремя основными частями одиночные волновой структуры: «плоский фильм», «волна горб» и передовое «капиллярные волны» регионы. Мы также наоборот эти результаты, связанные с неконтролируемым течет фильмов. Наши результаты показывают, что стохастический характер появления волны на неконтролируемые фильм заметно влияет на результат удара падения с отдельных регионов контролируемых фильма также показаны новые механизмы, которые мы подробно как качественно и количественно.
В предыдущем бумаги15используя ту же процедуру, мы изучали влияние управления фильм на динамику воздействия капель в режима разбрызгивание. Полученные результаты показали количественные и качественные различия в морфологии короны (высота, диаметр, толщина стенок, угол наклона и направление), а также количество и размер распределение выбрасывается среднего капель.
В настоящем докладе мы описываем разработана установка для понимания важной роли этих пространственных структур в капли влияние динамики, а также настоящей краткой детали наших выводов, не только в режима разбрызгивание, но и для других решений капелька влияние (viz. подпрыгивая, раздвижные, частичной/полной коалесценционные). Следуя стандартным протоколом, описанных ниже, эффект контроля пленки на динамику воздействия капель могут быть изучены в воспроизводимый моды.
Protocol
1. экспериментальные буровой установки
Примечание: Смотрите Рисунок 1.
-
Падение блок фильмов
- Начните с очистки поверхности субстрата (стекло) с чистой, мягкой тканью. Убедитесь, что грязь не привязана к его поверхности, которая изменит свойства жидкости.
- Установите желаемый угол pivot стеклянной подложке. Угол наклона, β для 15˚ использовался в этой работе.
- Включите Электрический насос и обеспечения нормального потока жидкости на поверхности пленки для дальнейшей очистки стеклянной подложке. Для этой работы испытания жидкость была деионизированную воду.
- Убедитесь, что вся поверхность субстрата увлажненная.
- Измерьте скорость потока фильм с помощью расходомера. Для этой работы, скорость потока был различались 1,667 x 10-3 и 10 x 10-3 m/s3с соответствующим пленку числа Рейнольдса Re = ρq/wµ, от 55,5 до 333. w является падение ширина пленки, 0,30 м.
- Постепенно Отрегулируйте вентили на поток соединения для получения желаемого расхода на стеклянной подложке.
- Настройте набор микрометра шаг на входе в фильме соответствующее значение толщины пленки Нуссельта для выбранного потока скорость, чтобы избежать гидравлический прыжок на входе фильм или обратного потока воздуха в камеру распределения.
- Вручную сифон все воздуха в камере распределения для получения единообразного потока вниз по течению на поверхности пленки.
-
Блок управления фильм
- Убедитесь, что функция генератор подключен на электромагнитный клапан через-защелкой ретрансляции через карточку приобретение данных (DAC).
- Переключение на электромагнитный клапан и функции генератора.
- Установите функцию генератора заставляя частоту. В этой работе использовались частоты 2 и 3 Гц.
- Выбор желаемого волны сигнала (синусоиды, Пилообразная волна, квадратные волны и т.д.). В этой работе был использован сигнал синусоидальной волны. Контраст между неконтролируемым фильм и контролируемых фильм Показать рисунок 2A и 2B .
-
Капельная система поколения
- Прикрепите очистить пластиковые трубы к шприцу, заполненные водой.
- Вставьте шприц в генераторе капелька.
- Аффикс иглой шприца выбранного размера (в зависимости от требуемой капли диаметр) в другой конец пластиковых труб. Диапазон диаметров капелька изучал был между 0,0023 до 0.0044 m.
- Отрегулируйте высоту падения капли на поверхности пленки. В этой работе, высота падения капли варьировала от 0,005 до 0,45 м, давая скорость удара между 0.30 ± 0,02 - 2.96 ± 0,06 м/сек.
- Аналогично установите точки streamwise удара, падения из фильма входе. Это было присвоено 0,3 м в этой работе для обеспечения правильного формата до воздействия волны.
- Установите требуемый расход для шприцевой насос.
- Отрегулировать скорость потока для достижения капелька поколения частота больше, чем длина волны волны, формируется на поверхности пленки; для обеспечения капли последовательно вторгаются в различных регионах, контролируемых фильма. Посмотреть Рисунок 2 c; с расширение сингулярные сигнала в 2D фигура , чтобы показать различия в профиля потока под каждого региона19,20.
-
Высокоскоростной визуализации установки
- Поместите фотокамеру на штатив стенда (или любого другого подходящего механизма).
- Выберите макро-объектив с фокусным расстоянием желаемого и подключите это на камеру.
- Переключитесь на высокоскоростной камеры и обеспечить прямое сосредоточиться на поверхности пленки. Выровняйте камеру на 7 ˚ и 12˚ горизонтальный и вертикальный отклонений соответственно к поверхности пленки. Это дает отличное изображение сбоку воздействие процесса, что приводит к резолюции 67.5 мкм/pixel и 46,6 мкм/пиксель в streamwise и spanwise направлениях, соответственно.
- Отрегулируйте фокус объектива камеры (на крупнейших диафрагмы) с использованием калибровки элемент, помещаемый точно о влиянии капелька пятно.
- Получив пристальное, сокращения диафрагмы, чтобы убедиться, что только небольшое количество света входит в камеру.
- Установите нужную частоту кадров, разрешение и скорость затвора высокоскоростной камеры. Частота кадров 5000 fps, 800 x 600 резолюции, диафрагма размер 1/16, и скорость затвора 1 МКС были использованы в этой работе.
- Место диффузор света перед источника света, как показано в рисунке 1 c, чтобы убедиться, что свет рассеивается равномерно во всем регионе изображений.
- Мощность на источник света для подтверждения равномерное распространение света над районом изображений.
2. Калибровка
Примечание: Смотрите Рисунок 3.
- Положите правителя в направлении потока фильм (именно на месте воздействия) и получить снимки измеренных точек на поверхности пленки.
- Повторите 2.1 но с правителем в spanwise направлении.
- Используйте выше для получения пространственного разрешения на поверхности пленки.
3. видео-записи и сбора данных
- Фильм поток устанавливается на буровой установки, запустите шприцевый насос и наблюдать последствия капает капель на поверхности пленки.
- Запуск функции генератора и наблюдать за производство spatiotemporally регулярных волн на поверхности пленки.
- Убедитесь, что последовательные капли отражаются в различных регионах поверхности контролируемого пленки.
- Наблюдать после срабатывания фрейма номер и установить это примерно половину видео длины адекватно захватить воздействия.
- Мощность источника света и триггер образов после воздействия.
- Выключите источник света после захвата изображения во избежание перегрева жидкой пленки.
- Визуально анализировать полученные снимка на экране компьютера. Проверьте, чтобы увидеть, если влияние произошло на одном из Плоская пленка, капиллярные волны, или волны горб регионов.
- Обрезать видео на части, показывая процесс воздействия и сохранить диапазон кадров в формате видео/изображения.
- Повторите 3,5-3,8 и запись отдельных воздействие на все регионы на поверхности пленки, viz. одиночные горб, капиллярных волн и плоская пленка.
4. пост-обработки и анализа изображений
- Место линейки в поле зрения и расчета пространственного разрешения, подсчитав, сколько пикселей подходят через 1 см. использование калибровки изображения, получить коэффициент масштабирования для изображения измерения измерения.
- Сравните результаты воздействия процесса на различные воздействия регионов от высокоскоростной фотографии. Проверьте, заметные различия.
- С помощью подходящего процедуру обработки изображений MATLAB, измерять характеристики особенностей продукта процесса воздействия: viz. в брызг режиме, измерить Корона высота, диаметр, толщина стенок, наклоните угол, направление Корона облицовки, количество и размер распределение выбрасывается среднего капель.
- Осуществляют аналогичные количественный анализ как 4.3 выше для последствий температура Вебер. Граф Пинч-время спутник падает от времени каркасные изображений и измерить Апекс длину и ширину столбца, образованная в Частичное сращивание перед Пинч офф среднего капель. Измерьте размер выбрасывается среднего капель. Подсчитать количество Каскад в повторный процесс Пинч off.
- Соблюдайте все качественные различия в каждом регионе.
Representative Results
По существу были изучены две категории последствий; Первый был для капель с низкой инерции (т.е., падение Вебер номер, (мыd= ρdu2/σ) начиная от 3.1 до 24,0 а второй был для капель с высокой инерции (i.e.,Wed 94 до 539) в результате в итоговом документе всплеск. Же экспериментальная, однако, процедура для обоих исследований. Другие связанные безразмерные величины, используемые в исследовании включают фильм число Рейнольдса (Re = ρq/wµ, от 55,5 до 333), фильм Вебер номер (мы = ρhNuN2 /Σ, диапазоне между 0.1061 и 2.1024), падение Ohnesorge номер (Oh = µ/ (ρσd)1/2, колебаясь между 0.0018 и 0,0025) и номером Капица (ка = σρ/1/3g 1/3 µ 4/3, который был рассчитан быть 3363 для воды). Толщина пленки Нуссельта (hN = [(3мкг2Re)/(ρ2gsinβ)]1/3) был найден в диапазоне от 4.034 x 10-4 до 7.328 x 10-4 m, Хотя Нуссельта фильм скорость (uN = ρgsinβhN2/3µ) был найден в диапазоне от 0.1376 до 0.4545 м/сек. Для всех выше уравнений q является фильм скорость потока, изменяющиеся между 0.001667 и 0,01 м3/сек; Β -это угол наклона подложки, фиксированной в 15˚ к горизонтальной; мкг и ρ являются вязкости и плотности, соответственно, воды, оценивается в 0.001 ПА s и 1000 кг/м3; Σ – сила поверхностного натяжения (0,072 N/м); и g является гравитационной силы (9,812).
В области воздействия низкой инерции тенденции, хотя немного аналогичные (рис. 4), выставлены ряд отчетливо заметными различиями. Во-первых он был вообще заметил, что размер спутниковой падение на регионе горб волна была всегда больше по сравнению с другими регионами воздействия. В ретроспективе наоборот был найден истинный капиллярные волны региона. Спутниковое капли всегда были очень малы. Это происходит потому, что радиальные волны, производится воздействие падение становится подавлено существующих капиллярного рябь. В результате дальнейшего распространения волн для вертикально удлиненное падение ингибируется, что приводит к падение, потеряв свой потенциал для разработки достаточно длинный вертикальный столбец, тем самым ведущих для отстрела только крошечные капли среднего от стройные колонны сформирован. Было также отмечено, что тенденция Каскад намного сократилось на волне горб, по сравнению с другими регионами. Во всех случаях изучены, продукт Частичное сращивание, вряд ли испытали другой Частичное сращивание, на Плоская пленка, до наблюдаются с трех до четырех. Высоту столбца было также отмечено выше и наиболее наклонена в направлении потока на волны горб региона по сравнению с другими регионами.
На плоской фильм региона по сравнению с другими регионами воздействия есть увеличение тенденция подпрыгивая исхода. Это происходит из-за сильного смазки, сила на падение на этот тонкий плоский фильм, который замедляет дренажа/рубки промежуточного слоя воздуха между падение и фильм, тем самым предотвращая слияния. Это приводит к деформации наблюдается падение, а также последующего взлета. В сравнении воздействие на горб волны более подвержены Частичное сращивание, отчасти из-за толщины пленки, отсутствие ранее существовавших волн (как найти в регионе капиллярные волны), и наконец снижение смазки силы, вызванные рециркуляции потока в Этот регион. Эти совокупности привести поколения скорее больше столбцов, чем те, которые производятся на других регионах.
С увеличением скорости потока жидкой пленки (т.е., пленка ре); воздействие на капиллярные волны часто приводит к нежным скольжения падения капиллярные волны без слияния (см. Рисунок 5a-5 h). Это подвижного падения (рис. 5 d-5f) более поздно после этого взбирается на ближайшие одиночных горб (рис. 5 g и 5 h) где оно испытывает Частичное сращивание (не показан). Однако результат воздействия на регион Плоская пленка меняется от устойчивый Частичное сращивание в пользу режима подпрыгивая. В случае воздействия на капиллярные волны увеличение в фильме Re привело к более тесно пика капиллярные волны, которые затем выступал в качестве «подушку», на котором падение «поехали», отсюда наблюдаемых раздвижные капель. В наименее Reочень быстро щипать прочь падение обычно наблюдается на плоской фильм регионе (размер 90% от первоначального падения), с этого падения, испытывают некоторые «танцы» режим, прежде чем он позднее объединяет и приводит в нормальное Частичное сращивание. Это однако, не наблюдается в других регионах, контролируемых фильма.
С увеличением падения мыd, было отмечено, что высоту столбца увеличилось на регионе Плоская пленка и волны горб но снижается на капиллярные волны региона.
Наконец с увеличением размера капли, длиннее и шире столбцы были замечены на регионе Плоская пленка, которая в свою очередь породила большие капли Спутниковое. Однако, на волне горб, это не было, вместо этого, было отмечено, переход к общей коалесценции. На капиллярные волны увеличение размера падение привело к снижение скольжения падения и переход к частичной коалесценции. Крупнейший падение, однако, почти сразу же уступил всего коалесценции. В таблице 1приводится резюме этих результатов.
За пределами капелька скорость 1,70 ± 0,03 м/сек, всплеск результат наблюдается во всех трех регионах на поверхности пленки (рис. 6). Однако хотя аналогичный результат наблюдается также в этом режиме, различия наблюдаются в морфологии Корона сформирован ее высота, диаметр, толщина стенки, угол наклона, поглощающий время, а также число и размер распределение выбрасывается вторичные капельки.
Региона «волна горб» Корона структура отличается от «капиллярной» и «плоский фильм регионов», как его форма является более регулярной. Он также обладает толще стены короны и высота корону выше, чем те, которые наблюдаются в «капилляр» и «плоские фильм регионов». Есть также меньше среднего капель, извлекается от rim по сравнению с коронками, сформированные в других регионах. Наконец более длительное время коалесценции наблюдается до короны сметены течет фильм.
В «капиллярные волны» и «плоская пленка регион» сформировали короны отличаются также основанные на ряд функций. Во-первых было отмечено, что задние Высота коронки зависит от капиллярной неровности, а также динамика потока разворота в этом капиллярные волны региона, таким образом вызывая короны, сформирована появляться более вертикально. Этот поток разворота приводит перевозки обратной жидкой массы, которая дополняет задние высота короны сформирован. Это, однако, не наблюдается на плоской фильмов: Корона естественно наклонена в направлении потока жидкости и наклон даже далее с увеличением Re. Этот наклон можно наблюдать в верхнем и нижнем течении концы короны. Для сравнения, на капиллярные волны, как фильм, который Re увеличивается с задней стороны Короны появляется, чтобы стать более вертикально таким образом, вполне противоположное тому, что наблюдается на плоских пленок. Высота коронки на Плоская пленка, однако, выше, чем на капиллярных волн из-за сосредоточения субстрата. Существует также более быстрое наступление вторичных капелька изгнания из короны обода, на капиллярных волн по сравнению с что на плоской фильмов. Наконец больше среднего капель выбрасываются на ободе Корона на плоских пленок чем на капиллярные волны.
Временная эволюция короны показывает слабая зависимость диаметра кроны на пленке Re во всех регионах потока. На слабых зависимость от Re наблюдается в регионе «горб волна». В регионе «Плоская пленка,» Высота коронки наблюдается увеличить с Re как ожидалось, поскольку больше Re связаны с толще фильмов. Степень наклона короны в направлении потока также выше, с увеличением Re «плоский фильм» и «волна горб» регионах; Этот эффект, однако, представляется менее выражен в регионе капиллярные волны.
В «волна горб регионе» есть меньше среднего капель, выбрасывается с увеличением Re. Видимому, довольно слабая зависимость Корона высоты на Re, хотя есть снижение коалесцирующего время Корона с увеличением Re, который является результатом увеличения скорости течет пленки, на которой происходит воздействие, которое быстро зачисток коалесцирующего короны от первоначальной точки воздействия. Есть также изменения в наклон короны в «волна горб регионе» в зависимости от конкуренции между инерции падения, удара и что течет фильма. На нижнем Re, Корона сталкивается направление вниз по течению, в то время как на более высоких значений Re , он сталкивается вверх (рис. 7). Эта тенденция наблюдается не в «капиллярные волны» и «плоская пленка регионах».
В регионе «капиллярные волны,» больше среднего капель наблюдаются в нижней Re. Существует также увеличение общей высоты короны с Re, и, на более низких Re, капелька выброс является главным образом в streamwise направлении (с ОПРАВОЙ корону выше на фронте, чем на задней и также наклонена больше к streamwise направление). Высота становится более симметричным в выше Re, который считается результате балансирующий эффект выше неровностей, которые капиллярные волны обладают их сзади, тем самым балансировки офф высота ОПРАВЫ короны на спине.
С падения Вебер эффект, можно наблюдать, что Корона диаметр увеличивается более быстрыми темпами, с увеличением мыd; крупнейший курс связан с областью «горб волна». Дополнительные различия наблюдаются в число и распределение по размерам выбрасывается вторичных капелька в этом брызг режима показаны в рисунке 8 и Рисунок 9, соответственно. Резюме этих результатов представлены в таблице 2.
Рисунок 1: экспериментальная установка. (A) схематическое представление экспериментальной установки, , состоящий из падения блок фильмов для потока жидкой пленки на наклонной стеклянной подложке; блок управления фильм, который (состоящие из электромагнитный клапан, связанный поперек-защелкой реле через сбор данных карты и функции генератора, который посылает сигнал автоматизированного контроля открытия и закрытия клапана соленоида); шприцевой насос, используемый для генерации капельки контролируемых размеров от вычисляемых высот выше поверхности пленки и высокоскоростной камеры для цифровых изображений. Полученные результаты анализируются в компьютерной системе. Воспроизводится с Адебайо и Матар 2017-15 с разрешения Королевского общества химии. (B) наглядное представление буровой установки. (C) - (D) иллюстрированные описания механизма освещения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: эффект фильма управления на волновой динамики эволюции на фильм течет жидкость. (A) Shadowgraph изображение поверхности пленки до управления фильм. Фильм характеризуется наличием естественно развивающейся волны, которые являются Стохастический характер и нерегулярные пространственно-временных динамики. (B) Shadowgraph изображение поверхности пленки после заставляя. Волны являются spatiotemporally регулярное и предсказуемое, рендеринг взносы от пространственной структуры отказаться легко изучать воздействие. Формирование одиночной волны (C) на контролируемых течет жидкой пленки, подчеркнув различных регионов на фильм поверхности viz. капиллярные волны, плоская пленка и волны горб регионов. (D) Magnified взгляд особой волновой структуры показаны профиля потока в каждой зоне. Воспроизводится с Адебайо и Матар 2017-15 с разрешения Королевского общества химии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: пространственное разрешение в 5000 fps. С углом наклона подложки 15˚ пространственное разрешение рассчитывается как 67.5 мкм/pixel и 46,6 мкм/пиксель в направлениях streamwise и spanwise, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: эффект фильма управления на результат низкой инерции падает, влияющих различных регионов контролируемых течет фильма, контрастирует с неконтролируемым фильм. Высота падения капли 0,005 м, падение размер составляет 3,3 мм, фильм скорость составляет 5 x 10-3 m3/s, заставляя частотой 2 Гц, соответствует фильма Re 166,5, падение, мы 3.134 и Oh 0.0021. Падение приближается к поверхности пленки () и контактные (b), триггеры дренаж промежуточного слоя воздуха между ним и фильм. Эти результаты в деформации падение формы и радиальные распространение капиллярного ряби на поверхности пленки, инициировал удара в точке (c-d). После того, как разрыв слоя воздуха, слияние каплю жидкости с жидкой пленки является наблюдаемых (e) и вертикальный рост цилиндрических столба жидкости (в корпусе частичной/полной коалесценционные). Это сопровождается преддверии капиллярных волн на столбце сформировано, который удлиняет его. Наконец Пинч офф Спутниковое капли наблюдается (g-h), в случае Частичное сращивание, которая имеет меньший размер первоначального мать падение. Повторить процесс коалесценции рассматривается также (i-j). Качественные различия наблюдаются в итоги наблюдается (подпрыгивая или скольжения или Частичное сращивание) и наличие Каскад; Хотя количественные различия наблюдаются в крайнем случае офф время, размер (высота и ширина) столба жидкости сформирована, размер капли выбрасывается Спутниковое, и Каскад точек. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: капелька скольжения на капиллярные волны региона контролируемых течет фильма. Диаметр капель составляет 2,3 мм, с высотой падения 0,008 м а фильм потока составляет 10 x 10-3 m3/s, соответствующий Oh = 0,0024, мыd = 5.014 и фильм Re = 333, соответственно. Заставляя была проведена в 2 Гц. подход. (b) контакт. (c-f) Прокатки падения. (g-h) Восхождение встречного одиночного горб. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6: эффект фильма управления на брызг явлений в различных регионах воздействия на контролируемой течет фильм, контрастирует с неконтролируемым фильм. Диаметр капель составляет 3,3 мм, с высотой падения 0,25 м, а фильм потока составляет 5 x 10-3 m3/s, соответствующий Oh = 0.0021, мыd = 224,8 и фильм Re = 166,5, соответственно. Заставляя была проведена в 2 Гц. Жидкие капли приближается к поверхности пленки (а) и сразу же после контакта (b), развивается отстреливаемых листа, которая перерастает в короне (c). Растущей короны (d-e) позже дает Рэлея-плато нестабильности, которая приводит к выброс мелких капель от ОПРАВЫ (f-j). Корона рушится потом и объединяет пленкой (k), перевозимых от встречного потока. Уникальные различия в результатах воздействия на отдельных регионах воздействия видны в размер (высота и диаметр) короны сформированных, номер и выбрасывается среднего капель, распределения размеров степень короны наклона, толщина стенок, Корона, перед направлении и время окончательный коалесценции. Воспроизводится с Адебайо и Матар 2017-15 с разрешения Королевского общества химии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 7: эффект фильма Рейнольдс и падение Вебер на корону распространения в регионе «горб волна». Размер капли составляет 3,3 мм, соответствующий Oh = 0.0021 и падение высоты падения варьировала от 0,20 до 0,35 м (соответствует мыd = 179.8 314,7) в то время как Re находится в диапазоне 55,5 до 333. Красные алмазы изображают результаты с короной, лицом вниз по течению направлении пока Голубые бриллианты Показать результаты вверх по течению облицовки коронки. Корона наклона зависит от конкуренции между инерции падения, удара и что течет фильма. Конкретно в низкой Re, Корона склоняется в сторону streamwise но как инерции течет фильма приобретает значение, направление изменения и сталкивается вверх по течению. Это направление Корона-вверх по течению облицовки сохраняется за пределами Re значение приблизительно 250 независимо от величины мыd. Воспроизводится с Адебайо и Матар 2017-15 с разрешения Королевского общества химии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 8: вариации числа вторичных капельки выбрасывается из короны ОПРАВЫ в регионах разные воздействия контролируемой фильма (viz «капиллярные волны», «плоский фильм» и «волны горб» регионов, показан слева направо, соответственно) противопоставляется против неконтролируемая фильм. Размер капельки-3,3 мм, соответствующий Oh = 0.0021 и снижение высоты варьировались от 0,20 до 0,35, в результате соударений в диапазоне 1.981-2,621 m/s (соответствует мыd = 179.8 314,7). Красные прямоугольники показывают падение падения высота 0,35 м, зеленый бриллианты 0,3 м, синий круги 0,25 м и оранжевый квадраты 0,2 м, соответственно. Количество выбрасывается среднего капель увеличения с падения, мы во всех регионах при неровных тенденция наблюдается с пленкой Re роста: на волны горб, есть снижение количество выбрасывается среднего капель на капиллярные волны и плоский фильм регионов, есть небольшой рост. Искупаться заметил вокруг фильма Re 166,5 для капиллярные волны, которая возникает в результате конкуренции между касательной скорости падения и что из фильма. Несоразмерное тенденция наблюдается на неконтролируемые фильмов считается, происходят в результате стохастический характер волн на поверхности пленки. Воспроизводится с Адебайо и Матар 2017-15 с разрешения Королевского общества химии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 9: эффект воздействия региона на распределение по размерам выбрасывается вторичных капелька на контролируемых фильм контрастирует с неконтролируемым фильм. Размер капли — 3,3 мм при скорости потока фильм 5 x 10-3 m3/s соответствует фильма Re 166,5 и падение Oh 0.0021. Сбрасывания падения являются 0,2 и 0,25, 0,3 0,35 м, соответствующий мыd 179.8, 224,8, 269.8 и 314,7 соответственно. На капиллярные волны, форма распределения в значительной степени неизменным с увеличение Вебер, но заметное увеличение количество капель диапазона 0,5-1,0 мм. На плоской фильмы однако, распределение по размерам наблюдается варьируются от 0 до 2,0 мм, и сдвиг наблюдается к 0 – 0,5 мм размера капель, как увеличивается число Вебера. Это увеличение числа мелких капель выбрасывается ясно дифференцирует регионе Плоская пленка из других регионов. На волне горб размер распределение показывает, что даже за наименьшее число Вебера изучены выбрасываются большие капли в диапазоне (1.0 до 2.0 мм). В отличие от вышесказанного распределением размера капли, связанные с неконтролируемым фильм не проявляют заметному различные формы благодаря стохастический характер волн на таких фильмах. Воспроизводится с Адебайо и Матар 2017-15 с разрешения Королевского общества химии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Параметры | Капиллярные волны региона | Плоская пленка региона | Волна горб региона |
| Апекс высота столба жидкости | Короткие | Средний | Высокая |
| Размер капли Спутниковое | Маленький | Среднее | Большие |
| Существование Каскад | Редкие | Да | Нет |
| Увеличение эффекта ре | Раздвижные явления | Подпрыгивая явления | Переход к полной коалесценции |
| Эффект мы увеличения | Уменьшение высоты столбца | Увеличение высоты столбца | Увеличение высоты столбца |
| Уменьшить эффект Oh | Снижение падение скольжения | Длиннее и шире столбцы, Спутниковое больше капель | Переход к полной коалесценции |
Таблица 1. Параметрические различия низкая инерция капелька динамики воздействия в различных регионах, контролируемых течет фильма.
| Параметры | Капиллярные волны региона | Плоская пленка региона | Волна горб региона |
| Форма кроны | Нерегулярные | Нерегулярные | Регулярные |
| Высота коронки | Высокая | Выше | Высокий |
| Толщина стенки коронки | Тонкий | Тоньше | Толстые |
| Количество среднего капель | Более | Большинство | Маленький/нет |
| Угол наклона Корона | Уменьшает пленкой Re | Увеличение с пленкой Re | Отмена за ре 250 |
| Поглощающий время | Быстрый | Медленно | Больше задержки |
| Эффект фильма Re увеличить | Корона становится более «вертикально» | Увеличение высоты короны, круче Корона наклон в направлении потока фильм, | Уменьшить количество вторичных капель, изменения в направлении Корона-с выходом за рамки ре 250 |
| Эффект падения увеличение Вебер | Ранее начала и увеличение числа вторичных капель и увеличение диаметра кроны. | Увеличение числа вторичных капли, Корона высота и диаметр кроны; уменьшение размера среднего капель | Увеличение числа вторичных капли, Высота коронки, коронки диаметром, время коалесценции и изменения в направлении Корона облицовки. |
| Эффект падения Oh снижение | Увеличение Корона диаметр и высота | Увеличение Корона диаметр и высота | Увеличение Корона диаметр и высота |
Таблица 2. Параметрические различия на высокой инерции капелька динамики воздействия в различных регионах, контролируемых течет фильма (режима разбрызгивание).
Discussion
В этом разделе мы предлагаем несколько советов необходимо убедиться, что качественные результаты получаются из протокола. Во-первых стекло субстрата, на котором должны храниться потоки жидкой пленки, грязи, полностью обеспечить свойств жидкой пленки хранятся бескомпромиссной. Это достижимо путем регулярной очистки (вероятно, с помощью подходящего моющего средства и стерт через лоток, чтобы избежать распада в систему). Аналогичным образом должна существовать регулярные замены весь тест-жидкости после некоторых экспериментальных раундов, чтобы гарантировать точные результаты.
Во-вторых жидкость распределение палата должна быть хорошо ячеистой и также хранится в герметичных обеспечить непопадание жидкой пленки является равномерным. Это может быть сделано путем вручную сифонирования воздуха из коробки распределения перед каждой эксперимент. Использование микрометр шаги на входе в фильме также рекомендуется установить разрыв высота на входе фильм точное толщина предсказывает оценку Нуссельта фильм потока на соответствующее число Рейнольдса. Это позволит предотвратить гидравлический прыжок или обратного потока на входе.
Операция электромагнитный клапан должен также всегда проверены и установлены правильно. Это потому, что соответствующие пульсации потока требуется для обеспечения производства принудительного волн. Это может быть проверена от регулярных щелкая звук электромагнитный клапан, а также воспринимается пульсации вдоль трубы соединения. Расход жидкости в шприцевой насос необходимо также задать тщательно чтобы убедиться, что капли выбрасываются в виде капель, избегая любых предускорение до падения.
Соответствующие калибровочные высокоскоростной камеры должна быть обеспечена для получения очень точные результаты. Размер апертуры должны также быть тщательно подобраны рассматривает такие параметры, как глубина резкости, времени экспозиции и общую яркость изображения. Для запуска во время записи видео камеры пользователи также должны оценить, сколько кадров должны регистрироваться до запуска. Это может варьироваться с частными лицами, в зависимости от времени воздействия падение, следовательно, несколько испытания для практикующих, рекомендуется перед фактических измерений. Аналогично источник света должен быть должным образом организованы и хорошо рассеянный, чтобы свести к минимуму тени на изображении.
Важно принять к сведению и помнить, что основное внимание изучению вклада волн влияние динамики падающих капель, поэтому формирование структур регулярной волны имеет важное значение для изучения физики основной. В сценариях, где наблюдаются волновой структуры для быстрого перехода к трехмерной структуры он сообщил, что угол наклона подложки быть снижение14,19 для облегчения медленнее перехода структур волны .
Одно ограничение техники наблюдается в отсутствие измерительного прибора, указав фактическое Мгновенный фильм толщина по каждому региону воздействия. Это было бы предоставили дополнительные сведения о целом наблюдаемых явлений.
Таким образом процедуры, изложенные в настоящем докладе также может использоваться для изучения простой волновой динамики эволюции, в то время как высокоскоростной обработки изображений системы, описываемой может применяться для многих исследовательских областях с быстрой динамикой такие жидкие капли распада21, 22/coalescence23, гранулированный струй24, и т.д. , где важные явления наблюдаются в микро сроки.
Disclosures
Авторы не имеют ничего объявить.
Acknowledgments
Эта работа был организован Фондом развития технологии нефти (PTDF, Нигерия) и инженерных и физическим научным исследованиям Совета, Великобритания, через программы грантов Мемфис (номер гранта EP/K003976/1). Авторы также признательны плодотворные обсуждения с д-ром 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) |
References
- Yarin, A. L. Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing…. Annual Review of Fluid Mechanics. 38, 159-192 (2006).
- Rein, M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces. Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).
- Liang, G., Mudawar, I. Review of mass and momentum interactions during drop impact on a liquid film. International Journal of Heat and Mass Transfer. 101, 577-599 (2016).
- Dam, D. B., Le Clerc, C. Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate. Physics of Fluids. 16 (9), 3403-3414 (2004).
- Worthington, A. M. A study of splashes. , Longmans, Green, and Company. (1908).
- Edgerton, H. E., Killian, J. R. Flash! Seeing the unseen by ultra-high-speed photography. , CT Branford Co. (1954).
- Josserand, C., Thoroddsen, S. T. Drop impact on a solid surface. Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).
- Kolinski, J. M., Mahadevan, L., Rubinstein, S. M. Lift-off instability during the impact of a drop on a solid surface. Physical Review Letters. 112 (13), 134501 (2014).
- Hobbs, P. V., Osheroff, T. Splashing of drops on shallow liquids. Science. 158 (3805), 1184-1186 (1967).
- Adomeit, P., Renz, U. Hydrodynamics of three-dimensional waves in laminar falling films. International Journal of Multiphase Flow. 26 (7), 1183-1208 (2000).
- Blanchette, F., Bigioni, T. P. Dynamics of drop coalescence at fluid interfaces. Journal of Fluid Mechanics. 620, 333-352 (2009).
- Wang, A. B., Chen, C. C. Splashing impact of a single drop onto very thin liquid films. Physics of Fluids. 12 (9), 2155-2158 (2000).
- Che, Z., Deygas, A., Matar, O. K. Impact of droplets on inclined flowing liquid films. Physical Review E. 92 (2), 023032 (2015).
- Craster, R. V., Matar, O. K. Dynamics and stability of thin liquid films. Reviews of Modern Physics. 81 (3), 1131 (2009).
- Adebayo, I. T., Matar, O. K. Droplet impact on flowing liquid films with inlet forcing: the splashing regime. Soft Matter. 13 (41), 7473-7485 (2017).
- Chang, H. H., Demekhin, E. A. Complex wave dynamics on thin films. 14, Elsevier. (2002).
- Liu, J., Gollub, J. P. Solitary wave dynamics of film flows. Physics of Fluids. 6 (5), 1702-1712 (1994).
- Benjamin, T. B. Wave formation in laminar flow down an inclined plane. Journal of Fluid Mechanics. 2 (6), 554-573 (1957).
- Kalliadasis, S., Ruyer-Quil, C., Scheid, B., Velarde, M. G. Falling liquid films. 176, Springer Science & Business Media. (2011).
- Adebayo, I., Xie, Z., Che, Z., Matar, O. K. Doubly excited pulse waves on thin liquid films flowing down an inclined plane: An experimental and numerical study. Physical Review E. 96 (1), 013118 (2017).
- Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact. Physical Review Letters. 103, 124501 (2009).
- Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 4389-4394 (2012).
- Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Physical Review Letters. 103, 114501 (2011).
- Royer, J. R., et al. Birth and growth of a granular jet. Physical Review E. 78, 011305 (2008).
