Control de la película para el estudio de las contribuciones de las ondas dinámicas de impacto de gota en películas líquidas delgadas que fluye

Esencialmente, se estudiaron dos categorías de impactos; la primera fue por caídas con baja inercia (es decir, la gota número de Weber, (d= ρdu2/σ) que van desde 3.1 hasta 24.0 mientras que el segundo fue por caídas con alta inercia (i.e.,Wed 94 a 539) dando por resultado un resultado de salpicaduras. Siguió el mismo procedimiento experimental, sin embargo, para ambos estudios. Otros relacionados con cantidades sin dimensiones utilizados en el estudio incluyen la película número de Reynolds (Re = ρq/wµ, que oscilan entre 55.5 y 333), la película número de Weber ( = ρhNuN2 /Σ, que oscilan entre 0.1061 y 2.1024), la caída de número de Ohnesorge (Oh = μ/ (ρσd)1/2, que oscilan entre 0.0018 y 0.0025) y el número de Kapitza (Ka = σρ1/3/g 1/3 µ 4/3, que se calculó en 3363 para agua). El espesor de la película de Nusselt (hN = [(3μ2Re)/(ρ2gsinβ)]1/3) se encontró que la gama de 4.034 x 10-4 a 7.328 x 10-4 m, velocidad de la película mientras el Nusselt (uN = ρgsinβhN23μ) se encontró que la gama de 0.1376 0.4545 m/s. Para todas las ecuaciones de arriba, q es el caudal de la película, variando entre 0.001667 y 0.01 m3/s; Β es el ángulo de inclinación del sustrato, fijado en 15 ° con la horizontal; μ y ρ son la viscosidad y la densidad, respectivamente, de agua estimada en 0,001 Pa s y 1000 kg/m3; Σ es la fuerza de tensión superficial (0.072 n/m); y g es la fuerza gravitacional (9.81 m/s2). En los impactos de baja inercia, las tendencias observan, aunque un poco similar (figura 4), exhibió un número de diferencias claramente sólo. En primer lugar, generalmente se observó que el tamaño de la gota satélite producido en la región de chepa de onda fue siempre mayor en comparación con otras regiones de impacto. En retrospectiva, lo contrario fue encontrado verdadera en la región de onda capilar. Siempre eran muy pequeñas las gotas satélite. Esto ocurre porque la onda radial producida por la caída de la afectación llega a ser suprimida por las ondas capilares existentes. Como resultado, mayor propagación de la onda para alargar verticalmente la gota se inhibe, que resulta en la caída de la pérdida de su potencial para desarrollar una columna vertical suficientemente largo, de tal modo líder a la expulsión de gotas secundarias sólo pequeñas de esbeltas columnas formado. También se observó que la tendencia de una cascada se redujo mucho en la chepa de onda en comparación con otras regiones. En todos los casos examinan, el producto de la coalescencia parcial, apenas experimentaron otra fusión parcial, mientras que en una película plana, hasta a tres a cuatro se observan. La altura de la columna también fue observada para ser más alta y más inclinado en la dirección del flujo en la región de chepa de onda en comparación con otras regiones. En la región de película plana en comparación con otras regiones de impacto, hay un aumento en la tendencia de un resultado que despide. Esto ocurre debido a la lubricación fuerte ejercida presión sobre la gota por esta fina película plana, que ralentiza el drenaje/adelgazamiento de la capa de aire que entre la caída y la película, evitando así la fusión. Este entonces se traduce en la deformación de la gota observadas así como el eventual despegue. En comparación, impactos sobre la chepa de onda son más propensos a fusión parcial, en parte debido al grueso de la película, la ausencia de olas ya existentes (como se encuentra en la región de onda capilar), y finalmente la fuerza lubricación reducida causada por la recirculación de flujo en esta región. Acumulativamente, éstos resultan en la generación de columnas más tiempo que los producidos en otras regiones. Con un aumento en la tasa de flujo de la película líquida (es decir, la película Re); impactos sobre las ondas capilares a menudo resultaron en un suave deslizamiento de la caída de la onda capilar sin fusión (ver figura 5a-5 h). Esta disminución del balanceo (figura 5 d-5f) más adelante entonces sube a la chepa solitaria en la llegada (figura 5 g y 5 h) donde experimenta una fusión parcial (no mostrado). Sin embargo, los resultados de impacto en la región del plano de la película cambia de una fusión parcial constante para favorecer el modo de rebote. En el caso de los efectos sobre la onda capilar, el aumento en la película Re condujo a ondas capilares más picuda que entonces actuaban como un “amortiguador” en que la gota “montó”, por lo tanto el deslizamiento observado de las gotas. En el menos Re, un pellizco muy rápido de gota se observa generalmente en la región de película plana (de tamaño el 90% de la gota inicial), con esta caída experimentando de algún modo “bailar” antes de que más tarde se fusiona y da lugar a una fusión parcial normal. Esto, sin embargo, no se observa en otras regiones de la película controlada. Con un aumento en la caída de d, se observó que la altura de la columna aumentó en la región de película plana y la joroba de la ola pero reducido en la región de onda capilar. Finalmente, con un aumento en el tamaño de la gota, más largo y más ancha columnas fueron observadas en la región plana de la película, que a su vez dio lugar a una mayor caída de satélite. Sin embargo, en la joroba de la ola, esto no se observó, en cambio, se observó una transición a la fusión total. En la onda capilar, el aumento de tamaño de gota condujo a menor desplazamiento de la gota y una transición a coalescencia parcial. La mayor caída, sin embargo, cedida casi de inmediato a la fusión total. En la tabla 1se presenta un resumen de estos resultados. Más allá de gota velocidad 1.70 ± 0,03 m/s, un resultado de salpicaduras se observa en las tres regiones en la superficie de la película (figura 6). Sin embargo, aunque un resultado similar se observa también en este régimen, se observan llamativas diferencias en la morfología de altura formado en su corona, diámetro, espesor de la pared, ángulo de inclinación, tiempo de fusión así como número y distribución de tamaño de expulsado gotas secundarias. En la ‘región de chepa de onda’, la estructura de corona es distinto en el ‘capilar’ y ‘plano de regiones de película’, ya que su forma es más regular. Además, posee una pared más gruesa de la corona y la altura de la corona es mayor que las observadas en el ‘capilar’ y ‘planas de las regiones de la película’. También hay gotas secundarias menos expulsadas de su borde en comparación con las coronas en las otras regiones. Por último, un tiempo de coalescencia se observa antes de la corona es arrastrada por la película que fluye. En la ‘región de película plana’ y ‘onda capilar’, las coronas formadas son también muy diferentes basados en una serie de características. En primer lugar, se observó que la altura posterior de la corona se ve afectada por las jorobas capilares así como la dinámica de inversión de flujo en esta región de onda capilar por lo tanto causando la corona para parecer más erguida. Resultados de esta inversión de flujo en el transporte de masa líquida posterior que aumenta la altura trasera de la corona formada. Esto, sin embargo, no se observa en las películas planas: la corona está naturalmente inclinada en la dirección de flujo de líquido y se inclina aún más con el aumento de Re. Esta inclinación puede observarse en el extremos aguas arriba y aguas abajo de la corona. En comparación, en las ondas capilares, como la película que re se incrementa, la parte posterior de la corona parece ser más erguida de manera absolutamente contraria a la observada en las películas planas. La altura de la corona en la película plana sin embargo, es mayor que la de las ondas capilares debido a la concentración del sustrato. También hay un inicio más rápido de la eyección de gota secundaria desde el borde de la corona, en las ondas capilares en comparación con en las películas planas. Por último, más gotas secundarias son expulsadas en el borde de la corona en las películas de planas que la de ondas capilares. Evolución temporal de la corona muestra una débil dependencia del diámetro de la corona en la película Re en todas las regiones del flujo. La dependencia más débil Re se observa en la región’ onda chepa’. En la región de película plana se observa la altura de la corona aumentar con Re como era de esperar, puesto que se asocian con películas más gruesas mayor Re . El grado de inclinación de la corona hacia la dirección del flujo también es mayor con el aumento de Re en la ‘película plana’ y ‘onda hump’ regiones; Este efecto, sin embargo, parece ser que menos pronunciada en la región de’ onda capilar’. En la ‘región de chepa de onda’, hay menos gotas secundarias expulsadas con mayor re Parece haber una algo débil dependencia de la altura de la corona de Re, mientras que hay una disminución en el tiempo de fusión de corona con el aumento de Re, que es el resultado de la mayor velocidad de la película que fluye sobre el cual el impacto se produce, que arrastra rápidamente la corona coalescente alejándose del punto de impacto original. También hay un cambio en la inclinación de la corona en la ‘región de chepa de onda’ dependiendo de la competencia entre la inercia de la caída impactante y de la película que fluye. En el inferior Re, la corona enfrenta a la dirección aguas abajo, mientras que a valores mayores de Re , enfrenta el por aguas arriba (figura 7). Esta tendencia no se observa en las ‘regiones de película plana’ y ‘onda capilar’. En la región de onda capilar más gotas secundarias se observan en menor Re. También hay un aumento en la altura total de la corona con Re, y, en menor Re, eyección de gota es principalmente hacia la dirección CBES (con el borde de la corona mayor en la parte delantera que en la parte trasera y también inclinada más hacia el CBES Dirección). La altura se hace más simétrica en el mayor Re, que se cree para ser el resultado del efecto equilibrante de las jorobas mayor que ondas capilares poseen en su parte trasera, lo equilibrado de la altura del borde de la corona en la parte posterior. Con la caída de efecto Weber, se puede observar que el diámetro de la corona aumenta a un ritmo mayor con el aumento de d; la tasa mayor está asociada con la ‘región de chepa de onda’. Observaron más diferencias en el número y distribución de tamaño de la gota secundaria expulsada en este régimen de salpicaduras se muestran en la figura 8 y figura 9, respectivamente. En la tabla 2se presenta un resumen de estos resultados. Figura 1: plataforma Experimental. (A) representación esquemática de la plataforma experimental de, que consiste en la unidad de película descendente para el flujo de la película líquida en un substrato de vidrio inclinado; una unidad de control de película (que consiste en una electroválvula conectada a través de un relé no enganche a través de tarjeta de adquisición de datos y un generador de función que envía señal automatizado controla la apertura y cierre de la válvula solenoide); una bomba de jeringa utilizada para la generación de gotas de tamaños controlados desde alturas calculadas por encima de la superficie de la película y una cámara de alta velocidad para imágenes digitales. Los resultados obtenidos se analizan en el sistema informático. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. (B) una visión pictórica de la plataforma. (C) – (D) Descripción pictórica del arreglo de la iluminación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: efecto de control sobre la dinámica de la evolución de la onda de película en una película de líquido que fluye. (A) imagen de Shadowgraph de superficie de la película antes de control de película. La película se caracteriza por la presencia de evolucionar naturalmente ondas que son estocásticos por naturaleza y dinámica spatiotemporal irregular. Imagen de Shadowgraph (B) de la superficie de la película después de forzar. Las olas son contribuciones spatiotemporally regulares y predecibles, representación de la estructura espacial que deje impacto fácil de estudiar. (C) formación de la onda solitaria en una película líquida que fluye controlada destacando las diferentes regiones en la onda capilar de superficie como de película, película plana y onda joroba de las regiones. (D) vista ampliada de una estructura de onda singular que muestra el perfil de flujo en cada zona. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: resolución espacial a 5000 fps. Con un ángulo de inclinación del substrato de 15 °, la resolución espacial se calcula a ser 67,5 μm/píxeles y 46,6 μm/píxeles en las direcciones de los CBES y spanwise, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4: efecto del control de la película sobre el resultado de baja inercia de gotas que afectan a diferentes regiones de una película que fluye controlada, contrastada con una película descontrolada. La altura de caída de gota es 0.005 m, tamaño de gota es de 3,3 mm, velocidad de la película es 5 x 10-3 m3/s, forzando a frecuencia es 2 Hz, correspondiente a la película Re 166.5, gota 3.134 y Oh 0.0021. La gota acerca a la superficie de la película (a) y en contacto (b), activa el drenaje de la capa de aire que entre ella y la película. Estos resultados en la deformación de la forma de gota y una difusión radial de capilares ondulaciones en la superficie de la película, inicia en el punto de impacto (c-d). Una vez que se rompe la capa de aire, una fusión de la gota líquida con la película líquida es observado (e) y un crecimiento vertical de la columna líquida cilíndrico (en el caso de una fusión parcial/total). Esto es seguido por un período previo de ondas capilares en la columna formada, que lo alarga. Finalmente, un pinzamiento de una caída de satélite se observa (g-h), en un caso de fusión parcial, que es de menor tamaño a la caída inicial de la madre. Repita el proceso de fusión se ve así (i-j). Se observan diferencias cualitativas en los resultados observados (fusión que despide o deslizamiento o parcial) y la presencia de una cascada; Si bien se observan diferencias cuantitativas en el tiempo de pinzamiento, el tamaño (altura y anchura) de la columna líquida había formada, tamaño de gota satélite expulsado, y la cascada de puntos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5: gotas resbalando en la región de onda capilar de una película que fluye controlada. El diámetro de la gotita es de 2,3 mm, con una altura de caída de 0,008 m mientras que el flujo de la película tarifa es 10 x 10-3 m3/s, correspondiente a Oh = 0.0024, d = 5.014 y cine Re = 333, respectivamente. Obligando a se llevó a cabo a 2 Hz. (a) enfoque. (b) contacto. (c-f) Gota del balanceo. (g-h) Subir la joroba solitaria que se aproximan. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6: efecto del control de película en salpicaduras fenómenos en las diferentes regiones de impacto en una película que fluye controlada, contrastada con una película incontrolada de. El diámetro de la gotita es de 3,3 mm, con una altura de caída de 0.25 m mientras que el flujo de la película tarifa es 5 x 10-3 m3/s, correspondiente a Oh = 0.0021, d = 224.8 y cine Re = 166.5, respectivamente. Obligando a se llevó a cabo en 2 Hz. La gota de líquido acerca a la superficie de la película (a) e inmediatamente sobre contacto (b), desarrolla una hoja de material eyectado que crece en una corona (c). El crecimiento de la corona (d-e) rendimientos más adelante a una inestabilidad de Rayleigh-meseta que conduce a la expulsión de gotitas más pequeñas de su borde (f-j). La corona se derrumba después y se une con la película (k), es transportada lejos por el flujo que se aproxima. Las únicas diferencias en los resultados de impacto en las regiones individuales de impacto se ven en el tamaño (altura y diámetro) de la corona formada, número y distribución de tamaño de gotas secundarias expulsadas, el grado de corona inclinación, espesor de pared, corona frente a dirección y el tiempo de coalescencia final. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7: efecto de la película Reynolds y caída de Weber en propagación de corona en la región’ onda chepa’. El tamaño de las gotas es de 3,3 mm, correspondiente a Oh = 0.0021 y la caída de alturas de caída fue variado de 0.20 a 0.35 m (correspondientes a d = 314.7 179.8) mientras que Re está en el rango de 55.5 a 333. Los diamantes rojos representan los resultados con la corona frente a la dirección aguas abajo, mientras que los diamantes azules muestran los resultados de la corona hacia arriba. La inclinación de la corona se ve afectada por la competencia entre la inercia de la caída impactante y de la película que fluye. Específicamente, en el bajo de Re, la corona está inclinada hacia la dirección CBES pero como la inercia de la película que gana en importancia, la dirección cambia y se enfrenta contra la corriente. Esta dirección de la corona hacia arriba se mantiene más allá de un valor de Re de aproximadamente 250 independientemente de la magnitud de d. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8: variación del número de gotas secundarias expulsado desde el borde de la corona en las regiones de impacto diferentes de una película controlada (viz ‘onda capilar’, ‘película plana’ y ‘onda chepa’ regiones, se muestra de izquierda a derecha, respectivamente) en contraste contra un película descontrolada. El tamaño de la gotita es 3,3 mm correspondiente a Oh = 0.0021 y la caída de alturas han sido variadas de 0.20 a 0.35, resultando en velocidades de impacto dentro de la gama 1.981-2.621 m/s (correspondiente a la d = 314.7 179.8). Los rectángulos rojos representan la altura de caída de gota de 0.35 m, el verde diamantes 0,3 m, el azul los círculos 0.25 m y la naranja plazas 0,2 m, respectivamente. El número de gotas secundarias expulsado con gota en todas las regiones mientras una tendencia desigual se observa con aumento de la Re de la película: en la joroba de la ola, hay una disminución en el número de gotas secundarias expulsados en onda capilar y plana regiones, de la película hay un ligero aumento. Un dip se nota alrededor de la película Re 166.5 de la onda capilar, que ocurre como resultado de la competencia entre las velocidades tangenciales de la gota y la de la película. La desproporcionada tendencia observada en las películas sin control es cree que se producen como consecuencia de la naturaleza estocástica de las olas sobre la superficie de la película. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 9: efecto de la región de impacto sobre la distribución de tamaño de gota secundaria expulsado en una película controlada contrasta con una película descontrolada. El tamaño de gota es 3,3 mm mientras que la tasa de flujo de la película es 5 x 10-3 m3/s correspondientes a una película Re de 166.5 y gota Oh 0.0021. Alturas de caída de la gota son 0.2, 0.25, 0.3 y 0.35 m correspondiente a d 179.8, 224.8, 269.8 y 314.7 respectivamente. En la onda capilar, la forma de la distribución es en gran medida inalterada con aumento del número de Weber, pero un aumento notable en el número de gotas de la gama 0.5 a 1.0 mm. En las películas de planas, sin embargo, la distribución se observa que varían de 0 a 2.0 mm, y se observa un cambio hacia las gotas de 0 a 0,5 mm de tamaño según aumenta el número de Weber. Este aumento en el número de pequeñas gotas expulsadas distingue claramente la región plana de la película de las otras regiones. En la joroba de la ola, la distribución de tamaño de muestra que grandes gotas en el rango de (1.0 a 2.0 mm) son expulsadas incluso para el más pequeño número de Weber examinado. En contraste con lo anterior, las distribuciones de tamaño de gota asociadas a una película descontrolada no exhiben una forma discerniblemente debido a la naturaleza estocástica de las ondas en películas. Reproducido de Adebayo y Matar 201715 con permiso de la Real Sociedad de química. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Parámetros Región de onda capilar Región de película plana Región de chepa de onda Altura del ápice de la columna de líquido Corto Medio Alta Tamaño de gota satélite Pequeño Promedio Grandes Existencia de cascada Raro Sí Ninguno Aumentar el efecto de Re Fenómenos de deslizamientos Fenómenos de rebote Transición a la fusión total Efecto de aumento Disminución de la altura de la columna Incremento en altura de la columna Incremento en altura de la columna Disminuir el efecto de la Oh Caída menor desplazamiento Columnas más largo y más ancha, más grande satélite cae Transición a la fusión total Tabla 1. Diferencias paramétricas en la dinámica de impacto de gotas de baja inercia en diferentes regiones de una película que fluye controlada. Parámetros Región de onda capilar Región de película plana Región de chepa de onda Forma de la corona Irregular Irregular Regular Altura de corona Alta Mayor Más alto Espesor de pared de corona Delgado Más delgado Espesor Número de gotas secundarias Más La mayor parte Poco ninguno Ángulo de inclinación de la corona Reduce con la película de Re Aumenta con la película de Re Se invierte más allá de Re 250 Tiempo de fusión Rápida Lento Más retrasado Aumentar el efecto de la película Re Corona llega a ser más “vertical” Aumento en la altura de la corona, corona-inclinación más empinada en dirección del flujo de la película, Disminución en el número de gotas secundarias, cambio de dirección de la corona orientada más allá de Re 250 Efecto de la gota aumento de Weber Anteriores Inicio y aumento en el número de gotas secundarias y aumento de diámetro de corona. Aumento en el número de gotas secundarias, altura de la corona y corona diámetro; disminución en el tamaño de las gotas secundarias de Aumento en el número de gotas secundarias, corona altura, diámetro de corona, tiempo de coalescencia y cambio en la dirección orientada al corona. Efecto de gota Oh disminución Aumentar en altura y diámetro de la corona Aumentar en altura y diámetro de la corona Aumentar en altura y diámetro de la corona Tabla 2. Diferencias paramétricas en la dinámica de impacto de gota de alta inercia en diferentes regiones de una película que fluye controlada (régimen de salpicaduras).