얇은 흐르는 액체 필름에 물방울 영향 역학 파의 기여를 공부 영화 컨트롤
Summary
흐르는 액체 필름에 물방울 영향 역학 파의 기여를 연구 프로토콜 제공 됩니다.
Abstract
드롭릿 영향 자연에서 매우 일반적인 현상이 고 주목 미적 매력 및 광범위 한 응용 프로그램. 이 최근 하락 영향 역학에 중요 한 영향력을가지고 표시 되었습니다 동안 흐르는 액체 영화에 대 한 이전 연구 영향 결과에 파도의 공간 구조에의 기여를 무시 있다. 이 보고서에서 우리 spatiotemporally 일반 웨이브 구조의 생산 하락 영향 역학에 이어지는 흐르는 액체 필름의 주기적인 입구의 효과 조사 하는 단계별 절차를 설명 합니다. 솔레노이드 밸브 관련 함수 발생기는 균일 한 크기의 작은 물방울의 영향 역학 고속 카메라를 사용 하 여 캡처 동안 이러한 spatiotemporally 일반 파도 구조 필름 표면에 흥분 하는 데 사용 됩니다. 다음 세 가지 고유한 영역 공부; 즉 앞에 큰 파도 피크, 플랫 영화 지역과 웨이브 고비 지역 모 세관 파 지역. 레이놀즈, 영화 같은 중요 한 크기가 없는 양의 효과 웨버 드롭하고 영화 흐름 율, 드롭 속도 및 드롭 크기에 의해 매개 변수화 Ohnesorge 숫자는 또한 시험. 우리의 결과 보여준다 흥미, 지금까지 알려지지 않은 역학의 영화 입구의 흐르는 영화 모두 낮은 높은 관성 삭제에 대 한이 응용 프로그램에 대해 가져온.
Introduction
드롭릿 영향 자연에서 매우 일반적인 현상이 고 어떤 호기심 관찰자1에서 주목. 그것은 스프레이 냉각, 화재 진압, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 증 착 인쇄 회로 보드에 솔더 범프의 내부 연소 엔진의 디자인을 포함 하 여 그것의 수많은 응용 프로그램으로 인해 활성 연구 영역 구성 표면 청소 및 셀 인쇄2. 응용 프로그램 확장도 농업, 예를 들어, 관개 및3,4살포 작물 뿌리. 선구적인 작업 날짜 다시워싱턴5, 동안 주요 발전만 최근 만들어진 고속 이미징6의 출현 때문에의 작품으로 19 세기 . 그 이후로, 여러 가지 연구는 실시 되었습니다; 영향 표면에서에서 범위의 솔리드7,8, 얕은,9 박막12,13깊은 액체 풀10,11 의 다른 종류를 사용 하 여.
그러나, 많은 양의 (즉, 얕은 및 깊은 풀 및 무부하 영화) 액체 표면에 작은 물방울 영향에 대 한 연구에도 불구 하 고 흐르는 액체 박막에 영향 받지 많은 관심. 또한, 지금까지, 연구 방울 영향 역학 파의 공간 구조에의 공헌을 무시 있다.
이 보고서에서는 흐르는 영화 그 역학 입구-액체 유량;의 강요에 의해 영향을 받습니다에 물방울 영향 과정을 조사 하는 상세한 실험 절차 소개 아래, 우리는 ‘제어’ 영화로 그들을 참조 하십시오. 우리 찾을 것이 다 산 산업 (예를 들어, 냉각 타워, 증 류 법 란에서 그리고 또한 환상 흐름 정권에서 2 단계 흐름에서 관찰)에 있는 수많은 응용 프로그램 특히 영화 컨트롤은 되었다 중요 한 단계는 열 및 많은 프로세스 산업14대량 전송의 강화. 관심이 있는 독자는이 연구의 결과 대 한 자세한 내용은 우리의 이전 작품15 불린다.
유입 유량의 주파수 진동의이 응용이 필름 표면에 일반 파도의 형성 결과. 우리는 본질적으로 널리 분리 된 좁은 봉우리에 의해 특징입니다 앞 모 세관 파16,,1718의 시리즈 앞 독방 웨이브 가족에 초점. 우리 공부 독방 웨이브 구조의 세 가지 주요 부품과 관련 된 영향의 결과: ‘ 플랫 ‘, ‘웨이브 고비’, 필름과 앞 ‘모 세관 파’ 지역. 우리는 또한 그 통제 흐르는 영화와 관련 된 이러한 결과 대조. 우리의 결과 통제 필름에 물결 모양의 확률적 특성 제어 영화 또한 우리는 새로운 메커니즘을 보여주는 별도 영역으로 드롭 영향의 결과 현저 하 게 영향을 질적으로 모두 선발 및 양적.
이전 종이15에서 동일한 절차를 사용 하 여 우리 splashing 정권에서 물방울 영향 역학에 영화 제어의 효과 공부 했습니다. 얻은 결과 꺼낸된 보조 방울의 숫자와 크기 분포 뿐만 아니라 크라운 형태 (높이, 지름, 벽 두께, 기울기 각도 및 방향)에서 양적 및 질적 차이 보였다.
이 보고서에서 우리이 공간 구조 방울 영향 역학과 또한 현재 간결 내용의 splashing 정권 뿐만 아니라 물방울의 다른 결과 대 한 우리의 연구 결과에 의해 재생 중요 한 역할을 이해 하려면 설계 된 설정 설명 영향 (즉 수신 거부, 슬라이딩, 부분/전체 접착). 아래에서 설명 하는 표준 프로토콜에 따라, 드롭릿 영향 역학에 영화 제어의 효과 재현 방식에서 공부 될 수 있다.
Protocol
1. 실험 장비 설치 참고: 그림 1을 참조 하십시오. 떨어지는 영화 단위 깨끗 하 고 부드러운 천으로 기판 (유리) 표면 청소 하 여 시작 합니다. 아무 흙 액체 속성 변경 하는 것이 그것의 표면에 붙어 있는지 확인 합니다. 원하는 성향 각을 유리 기판의 피벗을 설정 합니다. 경사 각도, β, 15˚의이 작품에 사용 되었습니다. 전기 펌프에 전환 하 고 더 유리 기판 청소 필름 표면에 정상적인 액체 흐름을 보장 합니다. 이 작품에 대 한 테스트 액체는 이온된 수를 했다. 기판의 표면 전체 침수가 확인 합니다. 유량 계를 사용 하 여 영화 흐름 속도 측정 합니다. 이 작품에 대 한 유량 x 10-3 1.667와 해당 영화 다시 ρq =레이놀즈 수와 10 x 10-3 m3/s 사이 다양 했다 /wµ, 55.5와 333 사이 배열. 승 은 떨어지는 영화 폭, 0.30 m 이다. 점차적으로 유리 기판 위에 원하는 유량을 얻기 위해 흐름 연결에 밸브를 조정 합니다. 마이크로미터 단계 영화 입구에서 배포 챔버로 영화 입구 또는 공기의 역류에서 유압 점프를 피하기 위해 선택한 흐름 속도 대 한 해당 Nusselt 필름 두께 값 집합을 조정 합니다. 수동으로 하류 필름 표면에 균일 흐름을 얻기 위해 배포 실에서 모든 공기를 사이 펀. 영화 제어 장치 함수 발생기는 데이터 수집 카드 (DAC)를 통해 비 래칭 릴레이 통해 솔레노이드 밸브에 연결 되어 있는지 확인 합니다. 솔레노이드 밸브와 함수 발생기에 전환 합니다. 함수 발생기 원하는 강제 주파수를 설정 합니다. 이 작품에서는, 2, 3 Hz의 주파수 사용 되었다. 원하는 웨이브 신호 (사인 파, 톱니 파, 구형 파, 등)을 선택 합니다. 이 작품에서 사인파 신호는 이용 되었다. 그림 2A 와 2B 는 통제 영화와 제어 필름을 보여줍니다. 작은 물방울 생성 시스템 물 가득 주사기에 깨끗 한 플라스틱 튜브를 연결 합니다. 드롭릿 발전기에 주사기를 삽입 합니다. 플라스틱 튜브의 다른 쪽 끝을 (에 따라 원하는 방울 직경) 선택한 크기의 주사기 바늘을 부착. 공부 하는 작은 물방울 직경 범위 0.0023 0.0044 m 사이 했다. 필름 표면 위의 드롭의가 높이 조정 합니다. 이 작품에서 드롭의가 높이 0.45 m, 0.30 ± 0.02-2.96 ± 사이 충격 속도 주는 0.005에서 다양 했다 0.06 m/s. 마찬가지로, 영화 입구에서 드롭의 streamwise 영향 포인트를 설정 합니다. 이이 작품에서 0.3 m 파도 영향 전에 잘 형성 되도록 설정 했다. 주사기 펌프에 대 한 원하는 유량을 설정 합니다. 필름 표면에 형성 된 파의 파장 보다 더 큰 작은 물방울 생성 주파수를 달성 하기 위해 유량 조정 드랍 스 제어 영화의 다른 지역에 연속적으로 충돌을 확인 합니다. 그림 2C; 참조 와 각 지역19,20아래 흐름 프로필에는 dissimilarities 표시할 그림 2D 에서 단 수 파형의 확대. 고속 영상 설치 삼각대 스탠드 (또는 다른 어떤 적당 한 배열)에 카메라를 배치 합니다. 원하는 초점 매크로 렌즈를 선택 하 고이 카메라에 연결. 고속 카메라에 전환 하 고 필름 표면에 직접 초점을 보장 합니다. 필름 표면에 각각 7˚와 12˚ 수평 및 수직 편차에서 카메라를 맞춥니다. 이 각각 67.5 µ m/픽셀 및 streamwise와 spanwise 방향에서 46.6 µ m/픽셀의 해상도에 따른 영향 과정의 우수한 사이드 뷰 이미지를 제공 합니다. 보정 항목을 정확 하 게 방울 영향에 자리 배치를 사용 하 여 (최대 조리개)에서 카메라 렌즈의 초점을 조정 합니다. 날카로운 초점을 얻은 일단 적은 양의 빛만 카메라 입력 되도록 조리개를 줄일 수 있습니다. 원하는 프레임 속도, 해상도 및 고속 카메라의 셔터 속도 설정 합니다. 5000 fps, 800 x 600 해상도, 프레임 속도 조리개 크기 1/16 그리고 셔터 속도 1 µs의이 작품에서 사용 되었다. 빛은 이미징 지역에 걸쳐 확산 균일 하 게 되도록 그림 1C와 같이 광원, 앞 가벼운 기관총을 배치 합니다. 이미징 영역 빛의 균일 한 확산을 확인 하는 광원에 전원. 2입니다. 보정 주: 그림 3을 참조 하십시오. 통치자 영화 흐름 방향에서 (정확 하 게 영향의 자리)에 넣고 필름 표면에 측정 된 포인트의 스냅샷을 얻을. Spanwise 방향에서 눈금자 함께 반복 2.1만. 위의 필름 표면에 공간 해상도를 사용 합니다. 3. 비디오 녹화 및 데이터 수집 영화 흐름 장비에 설정 되 면 주사기 펌프를 시작 하 고 필름 표면에 떨어지는 방울의 영향을 관찰 합니다. 함수 발생기를 시작 하 고 필름 표면에 spatiotemporally 일반 파도의 생산 합니다. 연속 방울 미치는 제어 필름 표면에의 다른 영역을 확인 합니다. 프레임 번호와 이것을 설정 후 발생 관찰 영향을 적절 하 게 잡으려고 비디오 길이의 약 절반. 광원 및 영향 발생 하면 이미지 캡처 트리거 전원. 이미지 캡처 완료 되는 액체의 과열 방지를 위해 광원 끕니다. 시각적으로 컴퓨터 화면에 획득된 스냅숏 분석. 영향 플랫 영화, 모 세관 파, 중 하나에서 발생 한 확인 또는 파도 고비 지역. 영향 과정을 보여주는 부분에 비디오를 트리밍합니다 고 비디오/이미지 형태로 프레임 범위를 저장 합니다. 즉. 독방 고비, 모 세관 파 및 평면 영화 필름 표면에 모든 지역에 개별 영향 3.5-3.8와 레코드를 반복 합니다. 4. 이미지 후 처리 및 분석 통치자의 시야에 고 얼마나 많은 픽셀에 맞게 걸쳐 1 cm. 보정 이미지를 사용 하 여 계산 하 여 공간 해상도 계산, 이미지 차원 측정에 대 한 배율 인수를 얻을. 고속 이미지에서 다른 영향 지역에 미치는 영향 과정의 결과 비교 합니다. 주목할 만한 차이 보고 확인 합니다. 적당 한 MATLAB 이미지 처리 루틴을 사용 하 여 측정 영향 과정의 제품의 특성 기능: splashing 모드에서 즉 크라운 높이, 직경, 벽 두께 측정, 크기, 수, 크라운 지향 방향, 각도 기울기 분출된 보조 방울의 분포입니다. 4.3 위 저 웨버 영향으로 비슷한 정량 분석을 실시 합니다. 수 위성의 핀치 오프 시간 시간을 프레임 이미지에서 삭제 하 고 팩스 길이 및 보조 상품의 핀치 오프 앞 부분 접착에 열 너비를 측정. 분출된 보조 상품의 크기를 측정 합니다. 반복된 핀치 오프 과정에서 캐스케이드의 수를 계산 합니다. 각 지역에서 모든 질적 차이 관찰 합니다.
Representative Results
기본적으로, 영향의 두 가지 범주가 공부 했다; 첫 번째는 낮은 관성과 방울에 대 한 (즉, 드롭 베버 번호 (우리d= ρdu2/σ) 높은 관성 (i.e.,Wed 94 539)과 방울은 두 번째 동안 24.0 3.1에서까지 스플래시 결과 결과. 그러나, 동일한 실험적인 절차는 두 연구에 대 한 미행 했다. 연구에 사용 된 다른 관련된 치수 수량 등 영화 레이놀즈 수 (Re = ρq/wµ, 55.5와 333 사이 배열), 영화 베버 번호 (우리 = ρhNuN2 /Σ, 0.1061와 2.1024 사이 배열), 드롭 Ohnesorge 번호 (오 = μ/ (ρσd)1/2, 0.0018와 0.0025 사이)와 Kapitza (카 = σρ1/3/g 1/3 µ 4/3, 3363 물에 대 한 것을 계산 했다). Nusselt 필름 두께 (hN = [(3μ2재)/(ρ2gsinβ)]1/3) x 10-4 x 10-4 m, 7.328를 4.034에서 범위를 발견 했다 Nusselt 동안 영화 속도 (uN = ρgsinβhN2/3µ) 범위 0.1376 0.4545 m/s에서 발견 됐다. 방정식 위의 모든에 대 한 질문 은 영화 유량, 사이 변화 0.001667 그리고 0.01 m3/s; Β 는 수평;으로 15˚에서 고정 기판 경사 각도 μ 와 ρ 는 점도 및 밀도, 각각, 0.001 Pa s 1000 k g/m3;에서 추정 하는 물 Σ가 이다 표면 장력 힘 (0.072 N/m); 그리고 g 이다 중력 (9.81 m/s2). 낮은 관성 영향에서 동향을 관찰, 비록 조금 비슷한 (그림 4), 전시 분명히 spottable 차이의 수 있습니다. 첫째, 그것은 일반적으로 파도 고비 지역에 위성 드롭의 크기 영향의 다른 지역에 비해 항상 더 큰 했다 발견 되었다. 생각해보면, 반대 모 세관 파 영역에서 진정한 발견 되었다. 위성 드랍 스 매우 작은 항상 있었다. 이 레이디얼 파 영향을 드롭 제작한 존재 모 세관 파문에 의해 억압 된다 때문에 발생 합니다. 결과적으로 추가 수직 드롭 연장에 웨이브 전파는 저해, 잃고 그것의 잠재력을 충분히 긴 수직 열을 그로 인하여 개발 선도 작은 보조 상품의 방출 슬림 열에서 드롭 결과 형성. 그것은 또한 다른 지역에 비해 웨이브 고비에 계단식의 추세를 줄일 수 많은 관찰 되었다. 모든 경우, 부분 접착 제품, 거의 평면 영화를 하는 동안에 다른 부분 접착, 경험, 최대 4 3 관찰 된다. 열 높이 높고 다른 지역에 비해 웨이브 고비 지역에 흐름 방향에서 가장 기울어진 것 또한 관찰 되었다. 영향의 다른 지역에 비해 플랫 영화 지역에 튀는 결과의 추세에서 증가 이다. 이 강한 윤 활 힘이 얇은 플랫이 영화는, 배수/숱이 드롭 합병 하지 영화 사이의 중간 공기 층의 감속에 의해 드롭 다운에가 해지으로 인해 발생 합니다. 이 그때 관찰된 드롭 변형 결국 이륙에 있는 결과. 비교, 웨이브 고비에 미치는 영향 부분 접착 필름, (로 모 세관 파 지역에서 발견), 기존의 파도의 부재의 두께 때문에 분할 하는 경향이 있으며 윤 활 감소 힘 흐름 재순환에 의해 발생 하는 마지막으로 이 지역. 이 누적 다른 지역에 생성 한 그들 보다 오히려 더 열 생성 결과. 액체 영화 흐름 속도 (즉, 다시영화);의 증가와 종종 합병 없이 모 세관 파의 드롭의 부드러운 슬라이딩 결과 모 세관 파에 미치는 영향 ( 그림 5a-5 h참조). 이 롤링 드롭 (그림 5 d-5 층) 나중에 그 후 그것은 부분 접착 (표시 되지 않음)를 경험 하는 곳에-오고 독방 고비 (그림 5 g 와) 올라. 그러나, 편평한 필름 지역에 미치는 영향의 결과 수신 거부 모드를 선호 하는 꾸준한 부분 접착에서 변경 합니다. 모 세관 파에 미치는 영향의 경우 영화 다시 증가 “쿠션”을 드롭 “타고”, 따라서 방울의 관찰된 슬라이딩으로 다음 행동을 더 밀접 하 게 정점된 모 세관 파에 지도 했다. 적어도 다시에서 드롭의 매우 빠른 곤란은 일반적으로 관찰 (크기의 90%의 초기 드롭), 편평한 필름 지역에 나중에 병합 하 고 결과 정상적인 부분 접착 하기 전에 몇 가지 “춤” 모드를 발생이 드롭. 그러나, 하지 제어 영화의 다른 지역에 관찰,이. 드롭의 증가와 우리d, 열 높이 플랫 영화 지역에 모두 증가 파 혹 하지만 감소 모 세관 파 지역에 관찰 되었다. 마지막으로, 드롭 크기 증가, 길고 넓은 열 차례 차례로 더 큰 위성 드롭 상승 했다 편평한 필름 지역에 관찰 되었다. 그러나, 웨이브 고비에이 하지 관찰 되었다, 총 합체를 전환 대신, 관찰 되었다. 모 세관 파에 드롭 크기에서 증가 부분 접착을 드롭 및 전환의 감소 슬라이딩 이끌어 냈다. 그러나 가장 큰 드롭,, 거의 즉시 총 접착을 굴복. 이러한 결과의 요약 표 1에 표시 됩니다. 넘어 물방울 속도 1.70 ± 0.03 m m/s, 스플래시 결과 필름 표면 (그림 6)에 모든 3 개의 지역에서 관찰 됩니다. 그러나, 유사한 결과이 정권에서 잘 관찰, 비록 눈에 띄는 차이 크라운 형성의 높이, 직경, 벽 두께, 기울기 각도, 병합 시간 뿐만 아니라 숫자의 형태에서 관찰 및 크기 분포의 배출 2 차 작은 물방울. ‘웨이브 고비 지역’, 크라운 구조는 ‘모세’와 ‘영화 지역 플랫’에서 다른 모양을 더 정기적으로. 그것은 또한 두꺼운 크라운 벽을 소유 하 고 크라운 높이 ‘모세’와 ‘영화 지역 플랫’에서 관찰 된 그들 보다는 더. 또한 다른 지역에서 형성 하는 크라운에 비해 테두리에서 배출 적은 보조 방울 있다. 마지막으로, 장시간 접착 왕관은 흐르는 영화에 의해 멀리 공중 소탕 하기 전에 관찰 된다. ‘모 세관 파’와 ‘플랫 영화 지구’에서 형성 하는 크라운 다르다 또한 매우 다양 한 기능에 따라. 첫째, 그것은 크라운의 후방 높이 모 세관 혹 흐름 반전 역학이 ‘모 세관 파 지역’에 따라서 원인이 더 똑바로 표시를 형성 하는 크라운에 의해 영향을 관찰 했다. 이 흐름 반전 액체 질량 형성 하는 크라운의 후방 높이 증가 시키고 뒤로의 전송에서 발생 합니다. 그러나 이것,, 평면 영화에 관찰 하지: 왕관은 액체 흐름 방향에 다시증가 함께 더욱 경사 기울이면 자연스럽 게. 이 기울기는 크라운의 업스트림 및 다운스트림 끝에서 관찰할 수 있습니다. 비교에서는, 모 세관 파에 다시 증가 하는 영화로는 크라운의 후방 측 더 ‘똑바로’ 꽤 플랫 영화에 관찰 하는 반대 방식으로 될 나타납니다. 그러나 플랫 영화에 크라운 고도, 기판의 감 금으로 인해 모 세관 파에 보다 높은. 또한 플랫 영화에 비교 하는 모 세관 파에 크라운 변죽에서 보조 작은 물방울 방출의 더 빠른 개시가 있다. 마지막으로, 더 많은 보조 방울 보다 모 세관 파. 에 플랫 영화에 크라운의 가장자리에 배출은 크라운의 시간적 진화 영화 흐름의 모든 지역에서 다시 에 크라운 직경의 약 의존을 보여줍니다. 다시 약한 의존도 ‘웨이브 고비 지역’에서 관찰 됩니다. ‘플랫 영화, 지역에서 ‘ 크라운 높이 예상, 이후 더 큰 다시 두꺼운 영화와 관련 된으로 다시 증가 관찰 됩니다. 흐름 방향으로 크라운 성향 정도 또한 ‘플랫 영화’, 그리고 ‘파 혹’ 지역;에 다시 증가 함께 높은 그러나이 효과, 덜 ‘모 세관 파 지역’에서 발음 것 같다. ‘웨이브 고비 지역’에서 있다 적은 보조 방울 재 를 증가 함께 배출 다시, 따라 영향 발생이 흐르는 영화의 증가 속도의 결과 증가 함께 크라운 병합 시간에 감소 하는 동안 다시에 크라운 높이의 다소 약한 의존 것 빨리 원래 충격 점에서 멀리 결합 크라운 스윕. 또한 흐르는 영화의 영향을 드롭의 관성 사이의 경쟁에 따라 ‘웨이브 고비 지역’에 크라운의 성향에 있는 변화가 이다. 낮은 재에서 크라운 다운스트림 방향 얼굴 다시 값이 높을수록, 동안에 그것은 얼굴 업스트림 (그림 7). 이 추세가 하지 ‘모 세관 파’와 ‘플랫 영화 지역’에서 관찰 됩니다. ‘모 세관 파 지역’에 더 많은 보조 방울 낮은 다시에서 관찰 된다. 또한 다시와 전반적인 크라운 높이 증가 이며, 낮은 다시,에 작은 물방울 방출 (와 함께 후면에 보다 앞에 높고 또한 더는 streamwise 쪽으로 기울어진 크라운 테두리 streamwise 방향으로 주로 방향)입니다. 높이 더 높은 다시, 그들의 뒤쪽에 있는 모 세관 파 소유 높은 혹의 균형 효과 결과로 것 여겨지고 함으로써 균형 떨어져 뒤에 크라운 테두리 높이에서 대칭 된다. 드롭 웨버 효과, 그것은 관찰 될 수 있다 크라운 직경 증가 함께 더 큰 비율로 증가 우리d; 최대 속도 ‘웨이브 고비 지역’와 연결 됩니다. 더 차이 수에서 관찰 하 고이 splashing 정권에서 꺼낸된 보조 방울의 크기 분포는 그림 8 및 그림 9에 각각 표시 됩니다. 이러한 결과의 요약 표 2에 표시 됩니다. 그림 1: 실험 장비. (A) 경사 유리 기판;에 액체의 흐름에 대 한 떨어지는 영화 단위의 구성 된 실험 장비, 의 도식 표현 영화 제어 장치 (솔레노이드 밸브 연결 데이터 수집 카드를 통해 비 래칭 릴레이와 개방 제어 및 솔레노이드 밸브의 폐쇄 자동된 신호를 보내는 함수 발생기 구성); 디지털 이미징 필름 표면 및 고속 카메라 위에 계산 된 높이에서 제어 크기의 방울의 생성에 사용 되는 주사기 펌프. 얻은 결과 컴퓨터 시스템에 분석 된다. 화학의 왕 사회의 허가 의해 Adebayo & 마 타 201715 에서 재현. (B) 의 장의 그림 보기. (C)-(D) 조명 배치의 그림 설명. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 2: 흐르는 액체 필름에 웨이브 진화 역학에 영화 제어의 효과. (A) Shadowgraph 영상 영화 제어 이전 필름 표면. 영화는 자연스럽 게 진화 하는 자연에서 확률 및 불규칙 spatiotemporal 역학 전시 파도의 존재에 의해 특징입니다. (B) 강제 후 필름 표면에의 Shadowgraph 이미지. 파도 공부에 쉽게 영향을 공간 구조에서 spatiotemporally 정기적이 고 예측 가능한, 렌더링 공헌이 있습니다. (C) 독방 웨이브 형성 제어 흐르는 액체 필름 필름 표면 즉 모 세관 파, 평면 영화와 웨이브에 다른 지구를 강조에 혹 지역. (D) 각 영역에는 유량 프로 파일을 보여주는 단 수 파 구조의 확대 보기. 화학의 왕 사회의 허가 의해 Adebayo & 마 타 201715 에서 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 3: 5000 fps에서 공간적 해상도. 15˚의 기판 경사 각도, 공간 해상도 67.5 µ m/픽셀 각각 streamwise와 spanwise 방향에서 46.6 µ m/픽셀 수를 계산 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 4: 낮은 관성의 결과에 영화 제어의 효과 억제 되지 않는 영화에 대 한 대조 통제 흐르는 영화의 다른 지역에 영향을 미치는 상품. 방울이을 높이 0.005 m, 드롭 크기는 3.3 m m, 영화 속도 5 x 10-3 m3/s, 강제로 주파수 2 Hz, 우리 3.134와 오 0.0021 드롭 다시 166.5 영화에 해당. 드롭 필름 표면에 접근 (a) 고에 연락처 (b), 그것은 영화 사이 중간 공기 층의 배수를 트리거합니다. 드롭 모양 및 필름 표면에 모 세관 파문의 방사형 확산의 변형에이 결과 영향 포인트 (c-d)에서 시작. 공기 층이 파열은, 일단 관찰된 (e)와 원통형 액체 열 (부분/전체 접착 경우)의 수직 성장을 액체 필름으로 액체 방울의 합병이 이다. 이것은 그것을 elongates 형성, 열에 모 세관 파의 실행까지 옵니다. 마지막으로, 위성 드롭의 핀치 오프 관찰 된다 (g-h), 부분 접착의 경우, 초기 어머니 드롭 작은 크기의. 접착 과정의 반복으로 잘 볼 수 있다 (i-j). 질적 차이 관찰 결과 (수신 거부 또는 슬라이딩 또는 부분 접착)와 계단식;의 존재에서 볼 수 있습니다. 양적 차이 핀치 오프 시간에서 관찰 된다, 하는 동안 액체 열 크기 (높이 너비) 형성, 꺼낸된 위성 드롭의 크기 그리고 폭포 포인트. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 5: 제어 흐르는 영화의 모 세관 파 지역에 슬라이딩 하는 방울. 드롭릿 직경 2.3 m m, 영화 흐름 동안 0.008 m의가 높이와 속도 10 x 10-3 m3/s, 해당 하 오 = 0.0024, 우리d = 5.014, 그리고 다시 영화 = 333, 각각. 강제 실시 됐다에서 2 Hz. (a) 접근. (b)에 문의 하십시오입니다. (c-f) 롤링 드롭. (g-h) 다가오는 독방 고비 등반. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 6: 튀는 현상 제어 흐르는 영화, 억제 되지 않는 영화에 대 한 대조에 영향의 다른 지역에에 영화 제어의 효과. 드롭릿 직경 3.3 m m, 영화 흐름 동안 0.25 m의가 높이와 속도 5 x 10-3 m3/s, 해당 하 오 = 0.0021, 우리d = 224.8, 그리고 다시 영화 = 166.5, 각각. 강제로 2 Hz에서 실시 됐다. 액체 방울 필름 표면에 접근 (a) 및 즉시 시 연락처 (b)에 크라운 (c) 성장 분출 시트를 개발 합니다. 성장 (d-e) 이후 수익률 테두리 (f-j)에서 더 작은 작은 물방울의 방출에 이르게 고원 Rayleigh 불안정성에 크라운. 크라운 후 붕괴 하 고 다가오는 흐름에 의해 멀리 수송 되 고 영화 (k)와 함께 병합. 영향의 개별 지역에 미치는 영향 결과에 독특한 차이 크라운 형성, 숫자의 크기 (높이 직경)에 고 꺼낸된 보조 방울의 크기 분포, 크라운의 기울기, 벽 두께, 방향 크라운 그리고 최종 합체 시간입니다. 화학의 왕 사회의 허가 의해 Adebayo & 마 타 201715 에서 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 7: 영화 레이놀즈의 효과 드롭 웨버 ‘웨이브 고비 지역’에 크라운 전파에. 물방울 크기가 해당 하 오 3.3 m m = 0.0021, 드롭이을 높이 0.35 m 0.20에서 다양 했다 (해당 우리d 179.8 314.7 =) 다시 55.5 333의 범위에 있는 동안. 빨간 다이아몬드 블루 다이아몬드 표시 업스트림 연결 크라운 결과 다운스트림 방향 크라운으로 결과 묘사. 크라운 성향 흐르는 영화의 영향을 드롭의 관성 사이의 경쟁에 의해 영향을 받습니다. 특히, 낮은 다시에 크라운 streamwise 방향으로 경사 된다 하지만 흐르는 영화의 관성 중요성에서 상승, 방향 변경 상류 얼굴. 이 크라운 업스트림 연결 방향으로의 크기에 약 250의 다시 가치를 넘어 유지 됩니다 우리d. 화학의 왕 사회의 허가 의해 Adebayo & 마 타 201715 에서 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 8: 보조 방울 제어 필름 (즉 ‘모 세관 파’, ‘ 플랫 ‘, 필름과 ‘고비 웨이브’ 지역, 각각 왼쪽에서 오른쪽 표시)의 다른 영향 지역에서 크라운 변죽에서 배출 수의 변화에 대 한 대조는 통제 영화. 작은 물방울 크기는 3.3 m m에 해당 하 오 = 0.0021, 그리고 높이 0.35, 충격 속도 1.981 2.621 m 범위 내에 결과를 0.20에서 변화 되었다 드롭/s (해당 우리d 179.8 314.7 =). 빨간색 사각형 묘사 0.35 m의 드롭이을 높이, 녹색 다이아몬드 0.3 m, 블루 서클 0.25 m, 그리고 주황색 사각형 0.2 m, 각각. 우리 는 고르지 못한 추세 동안 모든 지역에서 드롭 꺼낸된 보조 상품 증가 수는 영화 다시 증가과 관찰: 웨이브 고비에 꺼낸된 보조 상품의 수에 있는 감소 동안에 있다 모 세관 파와 평면 지역, 영화는 약간의 증가. 수영 영화 다시 166.5 드롭의 접선 속도 영화 간의 경쟁의 결과로 발생 하는 모 세관 파에 대 한 주위 주의 된다. 불균형 추세 통제 영화에서 필름 표면에 파도의 확률적 특성으로 인해 발생 하는 것 여겨진다. 화학의 왕 사회의 허가 의해 Adebayo & 마 타 201715 에서 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 9: 제어 필름에 꺼낸된 보조 방울의 크기 분포에 미치는 영향의 효과 억제 되지 않는 영화에 대 한 대조. 영화 흐름 속도 5 x 10-3 m3/s 해당 영화 166.5 놓기를 오 0.0021의 다시 하는 동안 드롭 크기 3.3 m m 이다. 드롭의가 0.2, 0.25, 0.3과 0.35 m에 해당 하는 우리d 179.8, 224.8 269.8 314.7 각각. 모 세관 파에 분포의 형태는 베버 숫자 증가 하지만 범위의 방울 수에 눈에 띄는 증가와 크게 변경 된 0.5 ~ 1.0 m m. 그러나 편평한 필름에, 크기 분포 2.0 m m 0에서 다양 하 게 관찰 하 고 웨버 증가 0 0.5 m m 크기의 방울을 향해 변화 관찰은. 분출 작은 방울의 수에 있는이 증가 명확 하 게 다른 지역에서 편평한 필름 지역을 분화 한다. 웨이브 고비에 크기 분포 범위 (1.0 ~ 2.0 m m)의 대형 상품 검사 Weber 수에도 배출은 보여준다. 위의 달리 드롭 크기 분포는 제어 되지 않은 영화와 관련 된 같은 영화에 파도의 확률적 특성 때문에 아무 명백한 모양을 전시 하지 않습니다. 화학의 왕 사회의 허가 의해 Adebayo & 마 타 201715 에서 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 매개 변수 모 세관 파 지역 편평한 필름 지역 웨이브 고비 지역 액체 열의 꼭대기 높이 짧은 매체 높은 위성 드롭의 크기 작은 평균 큰 캐스케이드 존재 드문 예 없음 Re 의 효과 증가 슬라이딩 현상 튀는 현상 총 접착을 전환 우리가 증가의 효과 열 높이 감소 열 높이 증가 열 높이 증가 아 의 효과 감소 감소 된 드롭 슬라이딩 길고 넓은 열, 큰 위성 드랍 스 총 접착을 전환 표 1. 낮은 관성 물방울에 파라메트릭 차이 역학 제어 흐르는 영화의 다른 영역에 영향. 매개 변수 모 세관 파 지역 편평한 필름 지역 웨이브 고비 지역 왕관 모양 불규칙 한 불규칙 한 일반 크라운 높이 높은 더 높은 최고 왕관 벽 두께 얇은 얇은 두꺼운 보조 상품의 수 더 대부분 작은/없음 크라운 기울기 각도 영화 다시 감소 영화 다시 증가 다시 250 넘어 반전 병합 시간 빠른 천천히 더 지연 영화 다시 의 효과 증가 크라운은 더 “똑바로” 크라운 높이, 영화 흐름 방향, 험한 크라운 성향 증가 보조 상품의 수에, 다시 250 넘어 크라운 지향 방향 변경 드롭 웨버 증가의 효과 이전 발병 및 보조 상품의 증가 크라운 직경에서 증가. 보조 상품, 크라운 높이 및 크라운 직경;의 수가 증가 보조 상품의 크기 감소 보조 상품, 크라운 높이, 크라운 직경, 접착 시간, 및 크라운 지향 방향에서 변경의 수 증가. 드롭 아 감소의 효과 크라운 직경 및 높이 증가 크라운 직경 및 높이 증가 크라운 직경 및 높이 증가 표 2. 높은 관성 물방울에 파라메트릭 차이 제어 흐르는 영화 (splashing 정권)의 다른 지역에 역학 영향.
Discussion
이 섹션에서 우리는 질적 결과 프로토콜에서 가져온 확인 하는 데 필요한 몇 가지 팁을 제공 합니다. 첫째, 유리 기판에 액체 영화 흐름 유지 되어야 완전히 먼지-무료 액체 필름의 속성을 확인 하는 탁월한 보관 됩니다. 이것은 달성 일반 청소 (아마 적합 한 세제를 사용 하 여 시스템에 해체를 방지 하는 트레이 위에 닦아)입니다. 마찬가지로, 일부 실험 라운드 후, 정확한 결과 보장 하기 위해 전체 테스트 액체의 정기적으로 교체 해야 합니다.
둘째, 유체 분포 챔버 잘 meshed 이어야 하며 또한 outflowing 액체 영화는 통일 되도록 밀폐 유지. 이것은 수동으로 각 실험 전에 분배기에서 공기를 몰래 여 행 해질 수 있다. 마이크로미터-영화 입구에서 단계를 사용 하 여도 해당 레이놀즈 수에서 영화 흐름의 Nusselt 견적에 의해 예측 하는 정확한 필름 두께를 영화 입구에서 갭 높이 설정 하려면 좋습니다. 이 유압 점프 또는 입구에 역류 되지 것입니다.
솔레노이드 밸브의 동작 또한 항상 확인 하 고 제대로 확인 해야 합니다. 흐름의 적절 한 맥 강제 파의 생산을 보장 하는 데 필요한 때문입니다. 이 솔레노이드 밸브 연결 파이프를 따라 인식된 맥의 일반 클릭 사운드에서 체크 수 있습니다. 주사기 펌프에 액체 유량도 방울 떨어지기 전에 어떤 사전 가속을 피하고 떨어지는 방식 배출은 되도록 신중 하 게 설정 해야 합니다.
고속 카메라의 적절 한 교정은 매우 정확한 결과 얻을 수 보장 되어야 합니다. 조리개 크기 해야 합니다 또한 신중 하 게 선택 필드, 노출 시간 및 전반적인 이미지 밝기의 깊이 같은 매개 변수를 고려. 카메라 비디오 녹화 중 트리거링, 사용자는 또한 트리거링 하기 전에 얼마나 많은 프레임을 기록 한다 추정 해야 합니다. 이 드롭 영향에 따라 개인과 다를 수 있습니다, 그리고 따라서, 연습에 대 한 몇 가지 시험 테스트는 실제 측정 하기 전에 권장 합니다. 마찬가지로, 광원 제대로 배열 하 고 이미지에 그림자를 최소화 하기 위해 잘 확산 되어야 합니다.
참고 하 고 연구의 주요 초점입니다 기억 떨어지는 방울의 영향 역학 파의 기여 따라서 일반 웨이브 구조의 형성은 기본 물리학의 정확한 연구에 필수적인 중요 하다. 시나리오 파도 구조 3 차원 구조를 신속 하 게 전환 관찰 된다, 그것은 좋습니다 기판 경사 각도 감소14,19 웨이브 구조의 느린 전환을 촉진 하기 위하여 수 .
기술에의 한 제한 영향의 각 지역에 실제 즉석 필름 두께 지정 하는 측정 장치가 없을 경우에 관찰 된다. 이 전반적인 관찰된 현상에 추가 정보를 제공 것입니다.
요약 하자면,이 보고서에 명시 된 절차 또한 사용할 수 있습니다 설명 된 고속 이미징 시스템 빠른 역학 액체 방울 헤어21, 등 많은 연구 분야에 적용할 수 있는 하는 동안 간단한 웨이브 진화 역학을 공부 하 22/coalescence23, 세분화 된 제트24, 등 중요 한 현상을 마이크로 날짜 표시줄에서 관찰 된다.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 석유 기술 개발 기금 (PTDF, 나이지리아)와 공학 및 물리 과학 연구 협의회, 프로그램 그랜트 멤피스 (부여 번호 EP/K003976/1)를 통해 영국에 의해 후 원했다. 저자는 또한 박사 Zhizhao 체와 유익한 토론을 주셔서 감사합니다.
Materials
| Function generator | GW INSTEK | AFG 2005 Series, Digital. Geo0852266 | Produces a varied type of wave signals, ranging from sine, square to saw-tooth wave at different frequencies (0.1 Hz – 5 MHz). |
| Syringe pump | Braintree Scientific Inc. | Bs-8000 /225540 | |
| Solenoid valve | SMC-VXD | 2142A. 0AE-5001 |
Series-pilot-operated-two-port |
| Relay | Takamisara | A5W-K. 154424C-03L |
|
| Electric pump | Clarke SP | SPE1200SS 1 | |
| Flow meter | RS Component | CYNERGY3 UF25B 14011600040110 | Measurement range: 0.2-25 L/min |
| Micrometer step | RS Component | Micrometer Head | 0.01 mm/0 -13 mm |
| High-speed camera | Olympus | I-SPEED 3. | Capable of recording at up to 100, 000 frames per second. |
| Light source | TLC Electrical supplies | IP54 -black | Double enclosed halogen floodlight. Rating 500 W. |
| Light diffusor | OptiGraphix | DFPMET | 250 μm thickness |
| Glass substrate | Instrument Glasses Ltd | Soda Lime Float Glass; 570 mm x 300 mm x 4 mm | Flatness tolerance 0.02/0.04. |
| Macro-lenses | (a) Nikon (b) Sigma |
(a) AF-Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 D (b) 105 mm f/2.8 Macro-Ex |
|
| Test-liquid | De-ionized water from the Imperial College Analytical Lab. | Standard solution (AnalaR) |
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Citer Cet Article
Adebayo, I. T., Matar, O. K. Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films. J. Vis. Exp. (138), e57865, doi:10.3791/57865 (2018).