Summary
Damlacık darbe dinamikleri üzerinde akan sıvı filmler dalgaları katkılarıyla eğitim için bir protokol sunulmuştur.
Abstract
Damlacık darbe doğada çok yaygın bir olgudur ve estetik hayranlık ve geniş kapsamlı uygulamalar nedeniyle dikkat çekiyor. Bu son zamanlarda açılan etkisi dinamikleri üzerinde önemli bir etkisi olduğu gösterilmiştir iken akan sıvı filmleri üzerine önceki çalışmalar dalgalarının etkisi sonucu mekansal yapılar katkılarıyla ihmal var.. Bu raporda, akan bir sıvı film spatiotemporally düzenli dalga yapıları üretim için damla etkisi dinamikleri üzerinde önde gelen periyodik giriş zorlamadan etkisini araştırmak için adım adım bir yordam anahat. İşlev üreteci bir solenoid vana ile bağlantılı olarak üniforma ölçekli damlacıkları etkisi dinamikleri yüksek hızlı bir kamera ile yakalanır ise bu spatiotemporally normal dalga yapıları film yüzeyindeki heyecanlandırmak için kullanılır. Üç ayrı bölgeye daha sonra çalıştı; sırasıyla en büyük dalga tepe, düz film bölge ve dalga kambur bölge önceki kapiller dalga bölge. Film Reynolds, gibi önemli boyutsuz miktarları etkileri bırakın Weber ve film akış hızı, damla hız ve damla büyüklüğüne göre parametreli Ohnesorge numaraları da incelenir. Bizim sonuçlar şimdiye kadar keşfedilmemiş dynamics film her iki düşük ve yüksek atalet damla için akan filmin giriş zorlamaktan bu uygulama tarafından getirilen ilginç gösterir.
Introduction
Damlacık darbe doğada çok yaygın bir olgudur ve herhangi bir meraklı gözlemci1dikkat çekiyor. Sprey soğutma, yangın söndürme, mürekkep püskürtmeli baskı, sprey-kaplama, birikimi lehim diken üstünde baskı devre kartları, içten yanmalı motor tasarımı da dahil olmak üzere çok sayıda uygulamaları nedeniyle bir etkin araştırma alanı teşkil eder, Yüzey Temizleme ve hücre-baskı2. Uygulama ayrıca tarım için Yağmurlama Sulama ve3,4püskürtme kırpma Örneğin, uzanır. Öncü çalışma tarihi19 yy, önemli gelişmeler sadece yüksek hızlı görüntüleme6ortaya çıkması nedeniyle son zamanlarda yapılmış iken Worthington5, iş ile . O zamandan beri çeşitli çalışmalar yapıldığını; katı madde7,8, sığ,9 ve derin sıvı havuzları10,11 ince filmleri12,13' e kadar etkisi yüzeylerin farklı türleri'ni kullanma.
Ancak, araştırma (Yani, sığ ve derin havuzları ve durgun filmler) sıvı yüzeylerde damlacık etkisi büyük miktarda rağmen çok ilgi olarak akan ince sıvı filmler üzerinde etkisi almamıştır. Buna ek olarak, şimdiye kadar çalışmalar damlacık darbe dynamics için dalgaların kayma yapıları katkılarıyla ihmal ettim.
Bu rapor halinde akan filmleri kimin dynamics giriş-zorlayarak sıvı akış oranı etkilenmiştir damlacık darbe süreci araştırmak için ayrıntılı deneysel yönerge sunar; Aşağıda, onları 'kontrol' filmleri bakın. Özellikle film denetimi konusunda önemli bir adım olmuştur gibi bunlar (soğutmaÖrneğin, kuleleri, damıtma sütunlarda ve ayrıca anüler akış rejimi iki aşamalı akışlarında gözlemlenen) çok fazlı sektörlerde sayısız uygulama var bulmak ısı ve kütle transferi birçok işlem sanayi14yoğunlaştırılması. Baktılar okuyucu bizim önceki çalışma15 araştırma aramaktaki bu sonuçları hakkında daha fazla bilgi için denir.
Frekans salınımlarını film yüzeyinde düzenli dalgaların oluşumunda giriş akış hızı sonuçlarının bu uygulama. Yaygın olarak ayrılmış dar doruklarına tarafından esas karakterizedir ve front-running kapiller dalgalar16,17,18bir dizi tarafından öncesinde yalnız dalga ailesinin odaklanmak. Biz üç ana bölümden yalnız dalga yapısı ile ilişkili etkileri sonucu çalışma: 'düz film', 'dalga kambur' ve front-running 'kapiller dalga' bölgeleri. Ayrıca bu kontrolsüz akan filmleri ile ilişkili ile bu sonuçlar kontrast. Dalga görünüm kontrolsüz filmde Stokastik niteliği belirgin damla etkisi, sonucu kontrollü film Ayrıca biz yeni mekanizmalar gösteren ayrı bölgeleriyle etkiler bizim sonuçları göstermek her ikisi de niteliksel ayrıntılı ve nicelik.
Önceki kağıt15, aynı yordam kullanılarak film denetimi damlacık darbe dynamics sıçramasına rejim üzerinde etkisini okudu. Elde edilen sonuçlar çkarlyor ikincil damlacıkları numarası ve boyut dağılımı yanı sıra taç morfoloji (yükseklik, çap, et kalınlığı, tilt açı ve yön) nicel ve nitel farklılıkları gösterdi.
Bu raporda, biz bu kayma yapılar damlacık darbe dynamics ve aynı zamanda bizim bulgular sadece sıçramasına rejim aynı zamanda damlacık diğer sonuçlar için mevcut az ve öz ayrıntılarını oynadığı kritik rolü anlamak için tasarlanmış kurulum tarif etkisi (sıçrayan, kayma, kısmi/toplam birleştirmesırasıyla ). Aşağıda açıklanan standart iletişim kuralı takip ederek, film denetimi damlacık darbe dinamikleri üzerinde etkisini bir tekrarlanabilir biçimde okudu.
Protocol
1. deneysel teçhizat Kur
Not: Bkz. Şekil 1.
-
Düşen film birimi
- Substrat (cam) yüzey temiz, yumuşak bir bezle temizlemeye başlar. Hiç kir yok sıvı özelliklerini değiştirmek onun yüzeye yapıştırılır emin olun.
- Cam alt katman pivot için istediğiniz eğim açısını ayarla. Bir eğim açısı β, 15˚, bu çalışmada kullanılmıştır.
- Elektrikli pompa geçiş yapmak ve daha fazla cam yüzey temizlemek için film yüzeyindeki normal bir sıvı akışını sağlamak. Bu iş için test sıvı deiyonize su oldu.
- Belgili tanımlık substrate tüm yüzey ıslak olduğundan emin olun.
- Akış ölçer kullanarak film debi ölçer. Bu iş için akış hızı 1.667 10-3 x ve 10 x 10-3 m3/s ile ilgili film Reynolds sayısı, yeniden ρq =arasında çeşitli / 55.5 ve 333 arasında değişenwµ,. w düşen film, 0,30 m genişliğidir.
- Yavaş yavaş vanaları cam alt katman üzerinde istenen akış hızı elde etmek için akış bağlantı ayarlayın.
- Film giriş, mikrometre adıma film giriş veya bir geri tepme Hava dağıtım odasına bir hidrolik atlama önlemek için seçilen akış hızı, karşılık gelen yaptığı çalışmalarda ünlü film kalınlığı değerleri kümesi ayarlamak.
- El ile dağıtım odasında film yüzeyinde akıntı yönünde tek tip bir akış almak için tüm hava sifon.
-
Film kontrol ünitesi
- İşlev üreteci solenoid vana veri alma kartı (DAC) ile bir sigara bağlantıIı röle üzerinden bağlı olduğundan emin olun.
- Solenoid vana ve işlev üreteci geçiş yapar.
- İşlev üreteci için istenen zorlanıyor frekansı ayarla. Bu çalışmada, 2 ve 3 Hz frekansları kullanılmıştır.
- İstenen dalga sinyali (sinüs dalga, testere dişi dalga, kare dalga, vb) seçin. Bu çalışmada, bir sinüs dalga sinyali kullanılmıştır. Şekil 2A ve 2B'yi kontrolsüz bir film ve kontrollü bir film arasındaki karşıtlığı göster.
-
Damlacık üretimi sistemi
- Temiz plastik bir boru su dolu bir şırınga iliştirin.
- Şırınga damlacık Jeneratör'e yerleştirin.
- Bir şırınga iğne (bağlı olarak istenilen damlacık çapı) seçilen boyutta plastik boru diğer ucunu yapıştırmayın. Okudu damlacık çapı aralığı 0.0023-0.0044 m arasında yapıldı.
- Film yüzey üstünde belgili tanımlık damla sonbahar yüksekliğini ayarlayın. Bu çalışmada, bırak 's düşme yüksekliği, 0.005 0,45 0.30 ± 0,02 - 2.96 ± arasında etkisi hız vermek için çeşitli 0,06 m/s.
- Benzer şekilde, film giriş--dan belgili tanımlık damla streamwise etkisi noktasını belirlemek. Bu Bu eser 0.3 m dalgaların etkisi önce iyi biçimlendirilmiş olduğundan emin olmak için kurulmuştur.
- İstenen debi şırınga pompa için ayarlayın.
- Bir damlacık üretimi frekans dalga boyu film yüzeyinde oluşan dalgalar daha büyük ulaşmak için akış hızı ayarlamak; damla gittikçe kontrollü film farklı bölgelerinde vurmak emin olmak için. Şekil 2Cgörmek; tekil bir dalga formu her bölge19,20altında akışı profilde farklılıkları göstermek için Şekil 2B bir genişleme ile.
-
Yüksek hızlı görüntüleme kurulumu
- Kamera bir tripod stand (veya herhangi bir diğer uygun düzenleme) yerleştirin.
- İstenen odak uzaklığı ile makro lens seçin ve bu fotoğraf makinesine bağlayın.
- Yüksek hızlı kamera geçin ve film yüzeyine doğrudan odak sağlamak. 7˚ ve 12˚ yatay ve dikey sapmaları sırasıyla film yüzeye kameraya hizalayın. Bu sırasıyla 67,5 µm/piksel ve streamwise ve spanwise yönde 46.6 µm/piksel çözünürlüğe sonuçlanan çarpma işlemi mükemmel yan görünümü görüntüsünü verir.
- Damlacık etkisi tam olarak spot yerleştirilen bir kalibrasyon öğesini kullanarak odak kamera objektifi (adlı en büyük diyafram) ayarlayın.
- Keskin odak alındıktan sonra yalnızca küçük bir miktar ışık fotoğraf makinesine girdiği emin olmak için diyafram azaltmak.
- İstenilen çerçeve hızı, çözünürlük ve yüksek hızlı fotoğraf makinesinin çekim hızı ayarlayın. 5000 fps, 800 x 600 çözünürlük, kare hızı diyafram boyutu 1/16 ve 1 µs obtüratör hızını Bu çalışmada kullanılmıştır.
- Işık difüzör ışık kaynağı önünde ışık düzgün görüntüleme bölgede yayılmış emin olmak için Şekil 1 ciçinde gösterildiği gibi yerleştirin.
- Üniforma ışık görüntüleme alanı üzerinde yayılan onaylamak için ışık kaynağının gücüyle.
2. Kalibrasyon
Not: Bkz. Şekil 3.
- Bir cetvel film akışı yönde (pek yer etkisi üzerinde) koyun ve anlık görüntülerini film yüzeyinde ölçülen puan elde etmek.
- Tekrar 2.1 ama spanwise yönde cetvel ile.
- Yukarıda film yüzeyindeki uzamsal çözünürlük elde etmek için kullanın.
3. video kaydı ve veri toplama
- Film akışı alete kurulduktan sonra şırınga pompa başlangıç ve film yüzeyindeki damlama damla etkisini gözlemlemek.
- İşlev üreteci başlatın ve üretim film yüzeyindeki spatiotemporally düzenli dalgaların gözlemlemek.
- Birbirini izleyen damla kontrollü film yüzeyinin farklı bölgeleri etkileyen vardır emin olun.
- Çerçeve numarası ve bütün bunları sonrası harekete geçirilmesine karşılık gözlemlemek yeterince etkisi yakalamak için video uzunluğu yaklaşık yarısı.
- Işık kaynağı ve tetikleyici bir etkisi oluşur bir kez görüntü yakalama gücüyle.
- Görüntü yakalama sıvı film ısınmayı önlemek tamamlandıktan sonra ışık kaynağı kapatma.
- Görsel olarak bilgisayar ekranında elde edilen anlık görüntü analiz. Etkisi bir düz film, kapiller dalga, meydana geldi denetleyin veya kambur bölgeler el salla.
- Etki işlemi gösteren bölümüne video aşağı trim ve çerçeve aralığı bir video/resim biçiminde kaydedin.
- 3.5-3.8 ve kayıt bireysel etkiyi tüm bölgelerinde viz. yalnız kambur, kapiller dalgalar ve düz film film yüzeyindeki yineleyin.
4. görüntü sonrası işleme ve analiz
- Görüş alanı içinde bir cetvel yerleştirin ve uzaysal çözünürlüğü kaç piksel 1 cm kalibrasyon görüntü kullanarak genelinde uyacak şekilde sayarak hesaplamak, görüntü boyutu ölçüm için bir ölçek faktörü elde edilir.
- Yüksek hızlı görüntülerden farklı etkisi bölgeler üzerindeki etkisi işleminin sonuçları karşılaştırın. Önemli farkları görmek için kontrol edin.
- Bir uygun MATLAB görüntü işleme yordamı kullanarak ölçmek ürünün etkisi sürecinin özellikleri özellikleri: sıçramasına modunda yani ölçmek taç yüksekliği, çap, et kalınlığı, açı, taç bakan yönü, sayı ve boyutu yatır Dağıtım çkarlyor ikincil damlacıkları.
- Düşük-Weber etkileri için 4.3 olarak benzer kantitatif analizleri taşımak. Kont uydu çimdik-off zaman zaman çerçeveli imge--dan damla ve tepe uzunluk ve çimdik-off ikincil damla önce kısmi birleştirme oluşan sütun genişliğini ölçmek. Çkarlyor ikincil damla boyutunu ölçmek. Art arda sıralı tekrarlanan bir tutam-off süreç içinde saymak.
- Her bölgedeki tüm nitel farklılıkları gözlemlemek.
Representative Results
Aslında, iki kategoriye etkileri incelenmiştir; damla ile düşük atalet için ilk oldu (Yani, damla Weber numarası, (bizd= ρdu2/σ) 3.1 24.0 için arasında değişen ikinci oldu damla ile yüksek atalet (i.e.,Wed 94-539) için bir sıçrama sonucu ortaya çıkan. Aynı deneysel işlemin, ancak, her iki çalışmaları izledi. Çalışmada kullanılan diğer ilgili boyutsuz miktarlar filmin Reynolds sayısı dahil (Re ρq= /wµ55.5 ve 333 arasında değişen,), filmin Weber numarasını (biz ρhNuN2 = /σ0.1061 ile 2.1024 arasında değişen,), açılan Ohnesorge numarası (Oh = µ/ (ρσd)1/20.0018 ve 0.0025 arasında değişen,) ve Kapitza (Ka σρ1/3/g = 1/3 µ su için 3363 olmak hesaplanan 4/3). Yaptığı çalışmalarda ünlü film kalınlığı (hN = [(3µ2Re)/(ρ2gsinβ)]1/3) aralığı için 4.034 x 10-4 x 10-4 m, 7.328 için gelen bulundu yaptığı çalışmalarda ünlü film hızı (uN = ρgsinβhN2/3µ) aralığı için 0.1376 0.4545 m/s den bulundu. Her şeyden denklemler, q 0.001667 ve 0.01 m3/s arasında değişen film akışı oranıdır; β 15˚ yatay için sabit substrat eğim açısı olduğunu; μ ve ρ viskozite ve yoğunluğu, sırasıyla, tahmini 0,001 Pa s ve 1000 kg/m3su. σ yüzey gerilimi (0,072 N/m); güçtür ve g yerçekimi kuvveti (9,81 m/s2).
Biraz benzer (Şekil 4), sergilenen rağmen net olarak spottable farklı bir sayısını düşük atalet etkilerin eğilimleri, görülmektedir. İlk olarak, genellikle'nun dalga kambur bölgesinde üretilen uydu damla boyutunu her zaman daha büyük etkisi diğer bölgeler için karşılaştırıldığında fark ettim. Geriye doğru bakıldığında, tam tersi kapiller dalga bölgesine doğru bulundu. Uydu damla her zaman çok küçüktü. Radyal dalga etkileyen damla tarafından üretilen mevcut kapiller dalgalar tarafından bastırılmış olur kaynaklanır. Sonuç olarak, daha fazla dalga yayılımı açılan dikey olarak uzatmak için hangi içinde belgili tanımlık damla yeterince uzun kolon, böylece geliştirmek için potansiyel lider sadece küçük ikincil damla fırlatma için ince sütunlarından kaybetme sonuç engellenir kurdu. Ayrıca bir çağlayan eğilimi çok diğer bölgelere göre dalga kambur üzerinde azaltılmış gözlendi. Tüm durumlarda muayene, kısmi birleştirme ürün, düz bir film iken başka bir kısmi birleştirme pek deneyimli, üçe dörde kadar gözlenir. Sütun yüksekliğini de daha yüksek ve en dalga kambur bölgesindeki diğer bölgeler ile karşılaştırıldığında akış yönünde yatırılmış olmak gözlendi.
Diğer bölgelerinde etkisi ile karşılaştırıldığında düz film bölgesine, zıplayan bir sonuç eğilim artış vardır. Bu drenaj/arasında açılan ve böylece birleşme önlenmesi film, araya giren hava tabakasının incelmesi yavaşlatır bu ince düz film tarafından teslimi sarf güçlü yağlama kuvvet nedeniyle oluşur. Bunlar da gözlenen damla deformasyon yanı sıra nihai kalkış sonuçlanır. İçinde karşılaştırma, dalga kambur üzerindeki etkileri daha kısmen film, (olarak kapiller dalga bölgesinde bulunan), önceden varolan dalgalar yokluğu kalınlığı nedeniyle kısmi birleştirme yatkındır ve nihayet akışı devridaim azaltılmış yağlama kuvvet nedeniyle Bu bölge. Bunlar üst üste bu üretilen diğer bölgeler'den oldukça uzun sütun nesil neden.
Artış ile sıvı film akış hızı (Yani, film Re); kapiller dalgalar üzerindeki etkileri kez sonuçlanan bir nazik birleşme olmadan kapiller dalga damla sürme içinde (bkz. Şekil 5a-5 h). Bu haddeleme damla (Şekil 5 d-5f) sonra görüşürüz nerede (gösterilmez) kısmi bir birleştirme deneyimleri geliyor üzerinde yalnız kambur (Şekil 5 g ve 5 h) tırmanıyor. Ancak, düz film bölge üzerindeki etkisi sonucu zıplayan modu lehine sabit bir kısmi birleştirme değiştirir. Kapiller dalga etkisi söz konusu olduğunda hangi "üzerinde açılan"bindi", bu nedenle damla gözlenen sürgülü bir yastık" hareket daha yakından bitkin kapiller dalgalar film Re artış yol açtı. En azından Readlı, çok hızlı açılan off pinching genellikle (Toplam boyutu % 90 ilk damla), düz film bölge daha sonra birleştirir ve bir normal kısmi birleştirme sonuçları önce bazı "dans" modu yaşandığı bu damla ile görülmektedir. Bu ancak, kontrollü filmin diğer bölgelerinde görülmektedir değil.
Açılan bir artış ile bizd, sütun yüksekliğini düz film bölgesindeki her ikisi de arttı ve dalga kambur ama kapiller dalga bölgesine azalma gözlenmiştir.
Son olarak, açılan boyutunda bir artış ile daha uzun ve daha geniş sütunlar için daha büyük bir uydu damla sırayla doğuran düz film bölge tespit edildi. Ancak, dalga kambur değil bu görülmüştür, bunun yerine, toplam birleştirme için bir geçiş gözlendi. Kapiller dalga üzerinde açılan boyutunda artış azaltılmış açılır ve bir geçiş için kısmi birleştirme sürme için yol açtı. En büyük damla, ancak, toplam birleştirme için hemen vermiştir. Bu sonuçlar özetini Tablo 1' de sunulmuştur.
Ötesinde damlacık hız 1.70 ± 0,03 m/s, bir sıçrama sonuç (Şekil 6) film yüzeyindeki tüm üç bölgelerde görülmektedir. Ancak, benzer bir sonuç içinde bu rejim de görülmektedir rağmen çarpıcı farklılıklar taç kurdu-onun yüksekliği, çapı, duvar kalınlığı, tilt açı, sergiler zaman yanı sıra numarası morfolojisi gözlenir ve boyutu-dağılımı atılır ikincil damlacıkları.
Şekli daha düzenli olarak ' dalga kambur, ', taç yapısı içinde belgili tanımlık 'kapiller' ve 'düz' film bölgeler, farklı bölgesidir. Ayrıca daha kalın bir taç duvar sahiptir ve taç yüksekliği bu 'kılcal' ve 'düz film bölgeleri' gözlenen daha yüksektir. Orada da daha az ikincil damlacıkları onun RIM ile karşılaştırıldığında diğer bölgelerde oluşan kron atılır. Son olarak, taç uzak akan filmin tarafından süpürüldü önce daha uzun bir birleştirme zaman görülmektedir.
'Kapiller dalga' ve 'düz film bölge' oluşan kron da özellikleri sayısına göre oldukça farklıdır. İlk olarak, taç arka yükseklik kapiller humps yanı sıra bu nedenle daha dik görünmesini oluşan taç neden akış ters dynamics bu bölgede' kapiller dalga' etkilenir gözlendi. Bu akış ters sıvı kitle geriye dönük oluşan taç arka yüksekliği zenginleştirerek taşımacılığında sonuçlanır. Bu, ancak, düz filmleri görülmektedir değil: taç doğal olarak sıvı akış yönü ve eğer daha da yenidenartan hareket ettirildiğinde. Bu tilt her iki upstream ve downstream ucunun taç görülebilir. Re artırılır, film olarak kapiller dalgalar üzerinde karşılaştırma daha 'dik' bir şekilde oldukça ters düz filmler üzerinde gözlenen olmak taç arka tarafında görünür. Taç yüksekliği düz film be belgili tanımlık substrate doğumdan dolayı kapiller dalgalar üzerinde daha yüksek. İkincil damlacık fırlatma taç RIM ile karşılaştırıldığında bu kapiller dalgalar üzerinde düz filmleri üzerinde daha hızlı bir başlangıcı vardır. Son olarak, daha fazla ikincil damlacıkları düz filmlerde taç kenarında üzerinde kapiller dalgalar. bunda daha kayıtlık
Taç zamansal evrim film Re akışının tüm bölgelerde taç çapı zayıf bir bağımlılık gösterir. Re en zayıf bağımlılığını 'dalga kambur bölgede' görülmektedir. İçinde 'bölge' düz film daha büyük Re daha kalın filmleri ile ilişkili olduğundan ile Re artırmak için beklenen taç yüksekliği görülmektedir. Akış yönüne doğru taç eğim derecesi de Re 'düz film' ve 'dalga kambur' bölgelerde artan yüksektir; Bu etki, ancak, daha az belirgin 'kapiller dalga bölgede' gibi görünüyor.
'Dalga kambur bölgede', orada daha az ikincil damlacıkları siktir artan ile atılır Gibi görünüyor etkisi oluşmasına neden olan, hangi akan film hızı arttı sonucu olduğunu yeniden, artan ile taç coalescing zaman bir düşüş ise Re, taç yüksekliğinin biraz zayıf bir bağımlılığı hızlı bir şekilde özgün etki noktasından uzağa coalescing taç süpürür. Ayrıca bölgede' dalga kambur' bağlı olarak etkileyen damla atalet ve bu akan film arasındaki rekabet taç eğimi bir değişiklik var. Daha düşük Readlı, taç yüzleri aşağı akım yönü yüksek değerlerinde Re iken, ters yönde (Şekil 7) karşı karşıya. Bu eğilim 'kapiller dalga' ve 'düz film bölgelerde' görülmektedir değil.
'Kapiller dalga bölgede', daha fazla ikincil damlacıkları daha düşük Readlı gözlenir. Orada da Reile genel taç yüksekliği bir artış ise, daha düşük Re, damlacık fırlatma (ile taç RIM ön arka daha yüksek ve daha doğru streamwise da eğik streamwise yönüne esas olarak Yön). Yüksekliği daha simetrik, böylece Dengeleme-arka taç RIM yükseklikte kapalı hangi sonucu olarak hangi kapiller dalgalar onların arkada sahip yüksek humps karşı etkisi olduğuna inanılıyor, daha yüksek Re, olur.
Bırak Weber etkisi ile artan ile taç çapı daha büyük bir oranda arttığını görülebilir bizd; en büyük oranı 'dalga kambur bölge' ile ilişkilidir. Daha fazla farklılıklar sayısında gözlemlenen ve sıçramasına bu rejim içinde çkarlyor ikincil damlacık boyutu dağılımı gösterilir Şekil 8 ve 9 şekil, anılan sıraya göre. Bu sonuçlar özetini Tablo 2' de sunulmuştur.
Şekil 1: deneysel teçhizat. (A) bir eğimli cam alt katman; sıvı film akışı için düşen film biriminin oluşan deneysel teçhizat, şematik gösterimi (bir sigara kilitleme rölesi veri alma kartı ile ve açılış kontrol ve solenoid vana kapatma otomatik sinyal gönderen bir işlev üreteci üzerinden bağlı bir solenoid vana oluşan) bir film kontrol ünitesi; dijital görüntüleme için film yüzey ve yüksek hızlı kamera yukarıda hesaplanan yükseklik kontrollü boyutları damlacıkları oluşturmada kullanılan bir şırınga pompa. Elde edilen sonuçlar bilgisayar sistemi üzerine analiz edilir. Ersin & Matar 201715 arası Kimya Royal Society izniyle çoğaltılamaz. (B) teçhizat resimsel bir görünüm. (C) - (D) aydınlatma düzenlemenin resimsel açıklama. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: akan bir sıvı film film denetimi dalga evrim dinamikleri üzerinde etkisi. (A) Shadowgraph görüntü film yüzey film kontrol önce. Film doğada Stokastik ve düzensiz kronolojik zamanmekansal dynamics sergi dalgalar doğal olarak gelişen varlığı ile karakterizedir. (B) Shadowgraph görüntü zorlamadan sonra film yüzey. Dalgalar spatiotemporally düzenli ve tahmin edilebilir, işleme katkıları etkisi çalışmaya kolay bırakmak için kayma yapısı vardır. (C) yalnız dalga oluşumu kontrollü bir akan sıvı film film yüzey sırasıyla kapiller dalga, düz film ve dalga üzerindeki farklı bölgeleri vurgulayarak bölgeleri kambur. (D) Magnified akışı profil her bölgede gösterilen bir tekil dalga yapısı görünümünü. Ersin & Matar 201715 arası Kimya Royal Society izniyle çoğaltılamaz. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3: 5000 kare / uzamsal çözünürlük. Bir substrat eğim açısı 15˚ ile Uzaysal Çözünürlük 67,5 µm/piksel ve streamwise ve spanwise yönde 46.6 µm/piksel sırasıyla olmak için hesaplanır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4: film denetimi düşük atalet sonucu üzerinde etkisi düşünceye karşı kontrolsüz bir film tezat kontrollü akan bir film farklı bölgeleri etkileyen. Damlacık sonbahar-Yükseklik 0.005 m, damla boyutudur 3,3 mm, film hızı 5 x 10-3 m3/frekans zorla s, 2 Hz olduğunu, yeniden 166.5 filme karşılık gelen, biz 3.134 ve Oh 0.0021 bırak. Damla film yüzey yaklaşımlar (a) ve iletişim (b) üzerinde bu ve film arasında aradan geçen hava tabakasının drenaj tetikler. Bu sonuçlar deformasyon şeklini bırak ve kapiller dalgalar film yüzeyindeki radyal yayılmasını başlatılan etkisi noktada (c-d). Bir kez hava katman yırtıldı, sıvı damla sıvı film ile birleşmesi gözlenen (e) ve (kısmi/toplam birleştirme durumda) silindirik Sıvı sütun dikey bir büyüme olduğunu. Bu hangi o hisli bir öncesinde kurulan, sütun kapiller dalgalar tarafından takip ediyor. Son olarak, bir tutam-off bir uydu damla (g-h), birçok ilk anne damlasına küçük boyutta bir kısmi birleştirme durumda görülmektedir. Tekrar birleştirme işleminin de görülür (i-j). Kalitatif farklılıklar gözlenen sonuçlar (Zıplayan veya sürgülü veya kısmi birleştirme) ve bir çağlayan varlığı görülmektedir; kantitatif farklılıklar çimdik-off zamanında gözlenir, Sıvı sütun boyutu (yükseklik ve genişlik) oluşan, çkarlyor uydu damla, boyutunu ve cascade puan. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5: kontrollü bir akan film kapiller dalga bölgesine kayar damlacık. Damlacık çapı 2.3 mm, düşme yüksekliği ile film akışı sırasında 0,008 m oranı 10 x 10-3 m3/s, Oh için karşılık gelen 0.0024, = bizd 5.014 = ve Re film 333, sırasıyla =. Zorlama 2 Hz., (a) yaklaşım gerçekleştirilmiştir. (b) ilgili kişi. (c-f) Damla haddeleme. (g-h) Yaklaşmakta olan yalnız kambur tırmanma. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6: olayların etkisi karşı kontrolsüz bir film tezat kontrollü akan bir film üzerinde farklı bölgelere sıçraması film kontrol etkisi. Damlacık çapı 3,3 mm olduğunu, düşme yüksekliği ile film akışı ise 0.25 m oranı 5 x 10-3 m3/s, Oh için karşılık gelen 0.0021, = bizd 224.8 = ve Re film 166.5, sırasıyla =. Zorlama 2 Hz'de gerçekleştirilmiştir. Sıvı damla film yüzey yaklaşımlar (a) ve hemen geliştiren kişi (b), bir taç (c) yetişen bir ejecta sayfası. Onun RIM (f-j) daha küçük damlacıklar çýkartýlmasýný uzaklaşan bir Rayleigh-Plato istikrarsızlık için büyüyen taç (d-e) daha sonra verimleri. Taç sonra çöker ve film (k), yaklaşmakta olan akış tarafından uzağa taşınmaları ile coalesces. Etkisi sonucu üzerinde etkisi bireysel bölgelerinde benzersiz farklılıkları boyutunu taç kurulan, sayı içinde (yükseklik ve çapı) görülür ve çkarlyor ikincil damla boyutu dağılımı, taç derecesini tilt, duvar kalınlığı, yöne dönük taç ve son birleştirme saat. Ersin & Matar 201715 arası Kimya Royal Society izniyle çoğaltılamaz. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 7: film Reynolds etkisini ve bırak Weber taç yaymayı 'dalga kambur bölge'. Damlacık boyutu 3,3 mm, Oh için karşılık gelen olduğunu = 0.0021 ve damla sonbahar heights için 0,35 m 0,20 çeşitli (için karşılık gelen bizd 179.8-314.7 =) Re 55.5-333 aralığında iken. Kırmızı elmas tacı mavi elmas akış yukarı dönük taç sonuçlar gösterirken akış aşağı yöne dönük sonuçları tasvir. Taç eğim etkileyen damla atalet ve bu akan film arasındaki rekabet etkiler. Özellikle, düşük Re, taç streamwise yönde eğimli ama akan filmin atalet önem kazanır gibi yönünü değiştirir ve akıntıya karşı karşıya. Bu taç akış yukarı bakan yönde Re değeri yaklaşık 250 büyüklüğü ne olursa olsun, ötesinde korunur bizd. Ersin & Matar 201715 arası Kimya Royal Society izniyle çoğaltılamaz. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 8: ikincil damlacıkları kontrollü bir film (yani 'kapiller dalga', 'düz film' ve 'kambur dalga' bölgeleri soldan sağa sırasıyla gösterilen) farklı etkisi bölgelerinde taç RIM atılır sayısı varyasyonu tezat karşı bir kontrolsüz film. Damlacık boyutu 3.3 Oh için karşılık gelen mm'dir 0.0021 ve yükseklikleri çeşitli 0,20 0,35, etkisi hızları 1.981-2.621 m aralığında sonuçlanan için damla = / s (karşılık gelen bizd 179.8-314.7 =). Kırmızı dikdörtgenler açılan Güz 0,35 m yüksekliğini tasvir, 0,3 m yeşil elmas, 0.25 m mavi daireler ve turuncu 0.2 m, sırasıyla kareler. Damla biz düzensiz bir eğilim ise tüm bölgelerde çkarlyor ikincil damla artış sayısı ile film yeniden artış gözlenen: dalga kambur var çkarlyor ikincil damla sayısını azaltmak kapiller dalga hem de düz iken Film bölgeler, hafif bir artış olduğunu. Bir dalış film Re 166.5 açılan teğet hızlar ve bu film arasındaki rekabet sonucunda oluşur kapiller dalga için çevresinde fark edilir. Kontrolsüz filmler üzerinde gözlenen orantısız eğilim film yüzeyindeki dalgalar Stokastik doğası bir sonucu olarak ortaya inanılıyor. Ersin & Matar 201715 arası Kimya Royal Society izniyle çoğaltılamaz. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 9: kontrollü bir film çkarlyor ikincil damlacık boyutu dağılımı üzerindeki etkisi bölge etkisini tezat karşı kontrolsüz bir filmi. Film akış hızı 5 x 10-3 m3/s bir film Re 166.5 ve damla Oh 0.0021 karşılık gelen ise 3.3 mm damla boyutudur. 0,2, 0,25, 0,3 ve karşılık gelen 0,35 m bırak 's sonbahar yükseklikler şunlardır bizd 179.8, 224.8, 269.8 ve 314.7 sırasıyla. Kapiller dalga üzerinde dağıtım şekli Weber sayısını artırmak ama damla Aralık sayısını belirgin bir artış ile büyük ölçüde değişmeden 0.5-1.0 mm. Ancak, düz Filmler, 2.0 mm için 0 ile değiştirmek için boyut dağılımı görülmektedir ve Weber sayısı arttıkça 0-0.5 mm boyutlu damla doğru bir kayma görülmektedir. Küçük damla atılır sayısındaki bu artış açıkça düz film bölge diğer bölgelerinden ayırır. Dalga kambur (1.0-2.0 mm) aralıktaki büyük damla muayene hatta en küçük Weber sayısı için çıkıp boyut dağılımı gösterir. Yukarıdakilerin aksine, kontrolsüz bir film ile ilişkili damla boyutu dağılımları gibi filmler dalgaları Stokastik doğası nedeniyle discernibly farklı bir şekil gösteren değil. Ersin & Matar 201715 arası Kimya Royal Society izniyle çoğaltılamaz. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
| Parametreleri | Kapiller dalga bölge | Düz film bölgesi | Dalga kambur bölge |
| Sıvı sütunun yüksekliğini Apex | Kısa | Orta | Yüksek |
| Uydu damla boyutu | Küçük | Ortalama | Büyük |
| Art arda sıralı varlığı | Nadir | Evet | Hiçbiri |
| Re etkisini artırmak | Sürgülü olayları | Zıplayan olayları | Toplam birleştirme için geçiş |
| Biz artış etkisini | Sütun yüksekliğini azaltın | Sütun yüksekliği artırmak | Sütun yüksekliği artırmak |
| Oh etkisini azaltmak | Azaltılmış açılan kayar | Daha uzun ve daha geniş sütunlar, daha büyük uydu damla | Toplam birleştirme için geçiş |
Tablo 1. Düşük-atalet damlacık parametrik farklılıklar dinamikleri farklı bölgeleri kontrollü bir akan film üzerinde etkisi.
| Parametreleri | Kapiller dalga bölge | Düz film bölgesi | Dalga kambur bölge |
| Taç şekli | Düzensiz | Düzensiz | Düzenli |
| Taç yüksekliği | Yüksek | Daha yüksek | En yüksek |
| Taç duvar kalınlığı | İnce | Daha ince | Kalın |
| İkincil damla sayısını | Daha | Çoğu | Küçük/yok |
| Taç tilt açı | Film ile Re azaltır | Film Re ile artar | Re 250 tersine çevirir |
| Zaman sergiler | Hızlı | Yavaş | Daha fazla gecikme |
| Film Re etkisini artırmak | Taç daha "dik" olur | Taç yüksekliği, dik taç-eğim film akışı yönde artırmak, | İkincil damla sayısını azaltmak, Re 250 ötesinde taç bakan yönde değiştirmek |
| Damla Weber artış etkisini | Daha erken başlangıçlı ve ikincil damla sayısındaki artış ve taç çapı artış. | İkincil damla, taç yüksekliği ve taç çapı sayısında artış; ikincil damla boyutu küçülür | İkincil damla, taç yüksekliği, taç çapı, birleştirme zaman ve taç bakan yönde değişiklik sayısını artırmak. |
| Damla Oh azalma etkisini | Taç çapı ve yüksekliği artırmak | Taç çapı ve yüksekliği artırmak | Taç çapı ve yüksekliği artırmak |
Tablo 2. Yüksek-atalet damlacık parametrik farklılıklar dinamikleri farklı bölgeleri kontrollü akan film (sıçramasına rejimi) üzerinde etkisi.
Discussion
Bu bölümde, biz birkaç ipucu nitel sonuçlar Protokolü elde edilen sağlamak için gerekli sağlar. İlk olarak, hangi sıvı film akışı tamamen kir-sıvı film özelliklerini sağlamak için free tutulmalıdır cam alt katman kusursuz tutulur. Bu (muhtemelen uygun bir deterjan kullanarak ve sisteme dağılmasına önlemek için bir tepsi üzerinde sonunu) düzenli temizlik tarafından ulaşılabilir. Benzer şekilde, doğru sonuçlar sağlamak için deneysel bir tur sonra tüm test-sıvı yerine düzenli olmalıdır.
İkinci olarak, sıvı-dağıtım odası iyi dövülmüş olmalı ve aynı zamanda hava-outflowing sıvı film düzgün olduğundan emin olmak için sıkı tuttu. Bu el ile dağıtım kutusu her deneme önce havamız Sifonlama tarafından yapılabilir. Mikrometre-adımları film giriş kullanımı ayrıca ilgili Reynolds sayısı adlı film akışı yaptığı çalışmalarda ünlü tahmininin tarafından tahmin tam film kalınlığı film koya boşluğu yüksekliği ayarlamak için tavsiye edilir. Bu-ecek önlemek bir hidrolik sıçrama veya giriş, geri tepme.
Solenoid vana işleyişi de her zaman kontrol ve düzgün tespit. Uygun bir nabız akışının zorla dalgalar üretimini sağlamak için gerekli olmasıdır. Bu düzenli klik sesi solenoid vana olarak algılanan bir nabız bağlantı boruları boyunca üzerinden iade edilmesi. Enjektör pompa içine sıvı akış hızı da dikkatle damlacıkları düşmeden önce ön ivmelerini kaçınarak bir damlama şekilde kayıtlık emin olmak için ayarlanması gerekir.
Çok doğru sonuçlar elde etmek için yüksek hızlı kamera uygun kalibrasyon sağlanmış olur gerekir. Diyafram boyutu da alan derinliği, çekim hızı ve genel görüntü parlaklığını gibi parametreleri dikkate dikkatle seçilmelidir. Kameranın video kayıt sırasında tetikleme, kullanıcılar da kaç kare uyarının harekete geçirilmesine karşılık önce kaydedilmesi gereken tahmin etmek zorundadırlar. Bu kişilerle damla etkisi süreye bağlı olarak değişebilir, bu nedenle, birkaç deneme testleri uygulamak için önce gerçek ölçümleri tavsiye edilir. Benzer şekilde, ışık kaynağı düzgün bir şekilde düzenlenmiş ve görüntünün gölgelerde en aza indirmek için iyi dağınık olması gerekir.
Unutmayın ve bu nedenle düzenli dalga yapıları oluşumu temel fizik doğru bir çalışma için önemlidir çalışmanın ana odak düşen damlalar, etkisi dinamikleri için dalgaların katkıları olduğunu hatırlamak önemlidir. Nerede dalga yapıları hızla geçiş için üç boyutlu yapılar gözlenir senaryolarda, bu substrat eğim açısı dalga yapıları daha yavaş bir geçişi kolaylaştırmak için azaltılmış14,19 yaşına tavsiye edilir .
Teknik bir sınırlama bir ölçüm cihazı gerçek anlık film kalınlığı etkisi her bölge üzerinde belirtme yokluğu görülmektedir. Bu ek ayrıntılar üzerinde genel gözlenen olayları sağlayabilirdi.
Özet olarak, bu raporda özetlenen yordamı açıklanan yüksek hızlı görüntüleme sistemi ile hızlı dynamics sıvı damla ayrılık21, gibi birçok araştırma alanlarına uygulanan iken basit dalga evrim dinamikleri, eğitim için de kullanılabilir 22/coalescence23, taneli jetleri24, vb nerede önemli olayları mikro bir zaman ölçeği gözlenir.
Disclosures
Yazarlar bildirmek için bir şey yok.
Acknowledgments
Bu eser petrol Teknoloji Geliştirme Fonu (PTDF, Nijerya) ve mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi, Birleşik Krallık, programı hibe MEMPHIS (hibe EP/K003976/1 numaralı) aracılığıyla tarafından sponsor oldu. Yazarlar ayrıca Dr. Zhizhao Che ile verimli tartışmalar için teşekkür ederiz.
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).
