Name: film control to study contributions of waves to droplet impact dynamics on thin flowing liquid films
Uploaded: 2018-08-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 8 s
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Este trabalho foi patrocinado pela Physical Sciences Research Council, Reino Unido, através do programa de subvenção MEMPHIS (número de concessão EP/K003976/1) e engenharia e o fundo de desenvolvimento de tecnologia de petróleo (PTDF, Nigéria). Os autores também apreciam discussões frutíferas com Dr. Zhizhao Che.

1. instalação de equipamento experimental
Nota: Consulte a Figura 1.
<ol><li>
Unidade de filme caindo
	<ol>
<li>Começa por limpar a superfície do substrato (vidro) com um pano limpo e macio. Certifique-se de que nenhuma sujeira é aderida a sua superfície, o que alteraria as propriedades do líquido.</li>
		<li>Defina o pivô do substrato de vidro para o ângulo de inclinação desejado. Neste trabalho, utilizou-se um ângulo de inclinação, β, de 15 ˚.</li>
		<li>Ligar a bomba elétrica e assegurar um fluxo normal de líquido sobre a superfície do filme mais limpar o substrato de vidro. Para este trabalho, o líquido de teste foi água desionizada.</li>
		<li>Certifique-se de que toda a superfície do substrato esteja umedecida.</li>
		<li>Medir a taxa de fluxo do filme usando o medidor de fluxo. Para este trabalho, a taxa de fluxo era variada entre 1,667 x 10-3 e 10 x 10-3 m3/s com o filme correspondente número de Reynolds, Re = ρq/wµ, variando entre 55,5 e 333. w é a largura de filme caindo, 0,30 m.</li>
		<li>Gradualmente ajuste as válvulas de conexão de fluxo para obter a taxa de fluxo desejada sobre o substrato de vidro.</li>
		<li>Ajuste o conjunto de passo de micrômetro à entrada do filme para o correspondente valor de espessura de filme de Nusselt para a taxa de fluxo escolhido, para evitar um salto hidráulico na entrada do filme ou um refluxo de ar na câmara de distribuição.</li>
		<li>Sifão manualmente todo o ar na câmara de distribuição para obter um fluxo uniforme a jusante na superfície do filme.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Unidade de controle do filme
	<ol>
<li>Certifique-se de que o gerador de função está conectado à válvula de solenoide, através de um relé de retenção através de uma placa de aquisição de dados (DAC).</li>
		<li>Acende-se tanto a válvula de solenoide e o gerador de função.</li>
		<li>Conjunto o gerador de função para a forçar a frequência desejada. Neste trabalho, foram usadas as frequências de 2 e 3 Hz.</li>
		<li>Escolha o sinal de onda desejada (onda de seno, onda dente de serra, onda quadrada, etc.). Neste trabalho, utilizou-se um sinal de onda senoidal. Figura 2A e 2B mostram o contraste entre um filme descontrolado e um filme controlado.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Sistema de geração de gotículas
	<ol>
<li>Anexe um tubo de plástico limpo para uma seringa cheia de água.</li>
		<li>Insira a seringa o gerador da gota.</li>
		<li>Apor uma seringa-agulha de tamanho escolhido (dependendo do diâmetro da gota desejado) para a outra extremidade do tubo de plástico. A gama de diâmetros de gotas estudada foi entre 0,0023 de 0,0044 m.</li>
		<li>Ajuste a altura de queda da gota na superfície do filme. Neste trabalho, altura de queda da gota era variou de 0,005 a 0,45 m, dando velocidade de impacto entre 0,30 ± 0,02 - 2.96 ± 0,06 m/s.</li>
		<li>Da mesma forma, defina o ponto de streamwise impacto da gota da entrada de filme. Isto foi definido como 0,3 m neste trabalho para garantir que as ondas são bem formadas antes do impacto.</li>
		<li>Defina uma taxa de fluxo desejada para a bomba de seringa.</li>
		<li>Ajustar a taxa de fluxo para atingir uma frequência de geração da gota maior que o comprimento de onda das ondas formadas na superfície do filme; para assegurar-se de gotas sucessivamente interfere em diferentes regiões do filme controlada. Ver Figura 2; com uma ampliação de uma singular forma de onda na Figura 2D para mostrar as diferenças no perfil de fluxo abaixo de cada região19,20.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Configuração de imagem de alta velocidade
	<ol>
<li>Coloque a câmera em um tripé (ou qualquer outro arranjo apropriado).</li>
		<li>Selecione a macro da lente com distância focal desejada e conectar-se a esta para a câmera.</li>
		<li>Ligar a câmara de alta velocidade e certifique-se de foco direto na superfície do filme. Alinhe a câmera em desvios horizontais e verticais, 7˚ e 12˚ respectivamente para a superfície do filme. Isto dá uma excelente imagem de vista lateral do processo de impacto, resultando em uma resolução de 67.5 µm/pixel e 46.6 µm/pixel nas direções streamwise e spanwise, respectivamente.</li>
		<li>Ajuste o foco da lente da câmara (na maior abertura) usando um item de calibração colocado exatamente sobre o impacto da gota local.</li>
		<li>Uma vez que se obteve um foco nítido, reduza a abertura para garantir que apenas uma pequena quantidade de luz entra a câmera.</li>
		<li>Defina a velocidade do obturador da câmera de alta velocidade, resolução e taxa de quadros desejada. Uma taxa de quadros de 5000 fps, 800 x 600 resolução, abertura tamanho 1/16, e uma velocidade de obturador de 1 µs foram utilizados neste trabalho.</li>
		<li>Coloque o difusor de luz em frente a fonte de luz, como mostrado na Figura 1, para garantir que a luz é difundida uniformemente em toda a região da imagem latente.</li>
		<li>Ligue a fonte de luz para confirmar o espalhamento uniforme de luz sobre a área de imagem.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. calibração
Nota: Consulte a Figura 3.
<ol><li>Coloque uma régua na direção de fluxo de filme (exatamente no ponto de impacto) e obter instantâneos dos pontos medidos na superfície do filme.</li>
	<li>Repetição 2.1, mas com a régua na direção spanwise.</li>
	<li>Use o acima para obter as resoluções espaciais na superfície do filme.</li>
</ol>3. gravação e aquisição de dados
<ol><li>Uma vez que o fluxo do filme é estabelecido na plataforma, ligue a bomba de seringa e observar o impacto das gotas pingando na superfície do filme.</li>
	<li>Ligue o gerador de função e observar a produção de ondas spatiotemporally regulares na superfície do filme.</li>
	<li>Certifique-se de reduções sucessivas estão impactando as diferentes regiões da superfície do filme controlada.</li>
	<li>Observar o pós-acionamento número do quadro e definir isso para cerca de metade do comprimento do vídeo para capturar adequadamente o impacto.</li>
	<li>Ligue a fonte de luz e gatilho da captura de imagem uma vez que ocorre um impacto.</li>
	<li>Desligue a fonte de luz, uma vez que a captura de imagem é completa para evitar o sobreaquecimento do filme líquido.</li>
	<li>Analise visualmente o instantâneo obtido na tela do computador. Verifique se o impacto ocorreu em um do filme plano, onda capilar, ou regiões de corcova de onda.</li>
	<li>Aparar abaixo o vídeo à parte, mostrando o processo de impacto e salvar o intervalo de fotogramas em um formato de vídeo/imagem.</li>
	<li>Repita o impacto individual 3,5-3,8 e registro em todas as regiões na superfície do filme, viz corcunda solitária. , ondas capilares e película plana.</li>
</ol>4. pós-processamento e análise de imagens
<ol><li>Coloque uma régua no campo de visão e calcular a resolução espacial contando quantos pixels cabem através de 1 cm. usando a imagem de calibração, obtenha um fator de escala para medição de dimensão de imagem.</li>
	<li>Compare os resultados do processo de impacto sobre as regiões de impacto diferentes a partir das imagens de alta velocidade. Verificar diferenças notáveis.</li>
	<li>Usando uma rotina de processamento de imagem apropriada MATLAB, medir as características de características do produto do processo de impacto: Viz no modo de espirrar, medir a altura da coroa, diâmetro, espessura de parede da inclinação, ângulo, direção voltados para a coroa, número e tamanho distribuição de gotas secundárias ejetadas.</li>
	<li>Realizar semelhantes análises quantitativas como 4.3 acima para os impactos de baixa-Weber. Contagem de tempo a pitada do satélite cai a partir das imagens de tempo-moldado e mede o ápice comprimento e a largura da coluna, formada em coalescência parcial antes de pinch-off do secundárias gotas. Medir o tamanho de gotas secundários ejetados. Conte o número de cascata em um processo de pinch-off repetida.</li>
	<li>Observe todas as diferenças qualitativas em cada região.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Yarin, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+impact+dynamics:+Splashing,+spreading,+receding,+bouncing&#8230;.">Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing&#8230;.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 38, 159-192 (2006).</li><li>Rein, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phenomena+of+liquid+drop+impact+on+solid+and+liquid+surfaces.">Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces.</a> Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).</li><li>Liang, G., Mudawar, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+mass+and+momentum+interactions+during+drop+impact+on+a+liquid+film.">Review of mass and momentum interactions during drop impact on a liquid film.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 101, 577-599 (2016).</li><li>Dam, D. 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V., Osheroff, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Splashing+of+drops+on+shallow+liquids.">Splashing of drops on shallow liquids.</a> Science. 158 (3805), 1184-1186 (1967).</li><li>Adomeit, P., Renz, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamics+of+three-dimensional+waves+in+laminar+falling+films.">Hydrodynamics of three-dimensional waves in laminar falling films.</a> International Journal of Multiphase Flow. 26 (7), 1183-1208 (2000).</li><li>Blanchette, F., Bigioni, T. 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V., Matar, O. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+and+stability+of+thin+liquid+films.">Dynamics and stability of thin liquid films.</a> Reviews of Modern Physics. 81 (3), 1131 (2009).</li><li>Adebayo, I. T., Matar, O. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+impact+on+flowing+liquid+films+with+inlet+forcing:+the+splashing+regime.">Droplet impact on flowing liquid films with inlet forcing: the splashing regime.</a> Soft Matter. 13 (41), 7473-7485 (2017).</li><li>Chang, H. H., Demekhin, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Complex wave dynamics on thin films. 14, (2002).</li><li>Liu, J., Gollub, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solitary+wave+dynamics+of+film+flows.">Solitary wave dynamics of film flows.</a> Physics of Fluids. 6 (5), 1702-1712 (1994).</li><li>Benjamin, T. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wave+formation+in+laminar+flow+down+an+inclined+plane.">Wave formation in laminar flow down an inclined plane.</a> Journal of Fluid Mechanics. 2 (6), 554-573 (1957).</li><li>Kalliadasis, S., Ruyer-Quil, C., Scheid, B., Velarde, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Falling liquid films. 176, (2011).</li><li>Adebayo, I., Xie, Z., Che, Z., Matar, O. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Doubly+excited+pulse+waves+on+thin+liquid+films+flowing+down+an+inclined+plane:+An+experimental+and+numerical+study.">Doubly excited pulse waves on thin liquid films flowing down an inclined plane: An experimental and numerical study.</a> Physical Review E. 96 (1), 013118 (2017).</li><li>Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Asymmetric+Disconnection+of+an+Underwater+Air+Bubble:+Persistent+Neck+Vibrations+Evolve+into+a+smooth+Contact.">Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact.</a> Physical Review Letters. 103, 124501 (2009).</li><li>Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+Formation+and+Scaling+in+Dense+Suspensions.">Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 4389-4394 (2012).</li><li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence.">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Physical Review Letters. 103, 114501 (2011).</li><li>Royer, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Birth+and+growth+of+a+granular+jet.">Birth and growth of a granular jet.</a> Physical Review E. 78, 011305 (2008).</li></ol>

Os autores não têm nada a declarar.

Nesta seção, nós fornecemos algumas dicas necessárias para garantir resultados qualitativos são obtidos a partir do protocolo. Primeiro, o substrato de vidro em que os fluxos de filme líquido devem ser mantidos totalmente livre de sujeira para garantir as propriedades do filme líquido são mantidos descomprometido. Isto é alcançável por uma limpeza regular (provavelmente usando um detergente apropriado e limpado fora sobre uma bandeja para evitar a dissolução no sistema). Da mesma forma, deve haver uma substituição regular do teste inteiro-líquido depois de algumas rodadas experimentais, para garantir resultados precisos.
Em segundo lugar, a câmara de distribuição de fluidos deve ser bem malhada e também manteve hermético para garantir que o filme efluente líquido é uniforme. Isso pode ser feito por sifonagem manualmente o ar fora da caixa de distribuição antes de cada experimento. O uso do micrômetro-passos à entrada do filme também é aconselhado para definir a altura de abertura à entrada do filme para a espessura da película exata prevista por Nusselt estimativa do fluxo de filme com o correspondente número de Reynolds. Isto impedirá que um salto hidráulico ou refluxo na entrada.
A operação da válvula solenoide também sempre deve ser verificada e deduzi corretamente. Isso ocorre porque uma pulsação adequada do fluxo é necessário para garantir a produção das ondas forçadas. Isto pode ser verificado pelo barulho clicando em regular a válvula de solenoide, bem como uma pulsação percebida ao longo dos tubos de conexão. A taxa de fluxo de líquido para a bomba de seringa também deve ser definida cuidadosamente para garantir que as gotas são ejetadas de uma forma de gotejamento, evitando qualquer pre-aceleração antes de cair.
Calibração adequada da câmera de alta velocidade deve ser assegurada para obter resultados muito precisos. O tamanho da abertura deve também ser cuidadosamente escolhido tendo em conta parâmetros como a profundidade de campo, o tempo de exposição e o brilho geral da imagem. Para a câmara de disparo durante a gravação de vídeo, os usuários também são necessários para estimar quantos quadros devem ser registados antes de acionar. Isto pode variar com indivíduos, dependendo do tempo de impacto de queda, portanto, vários testes experimentais para a prática são recomendados antes as medições reais. Da mesma forma, a fonte de luz deve ser devidamente arranjado e bem difundida para minimizar sombras na imagem.
É importante notar e lembrar que o foco principal do estudo as contribuições das ondas para a dinâmica de impacto das gotas caindo, daí a formação de estruturas de onda regular é essencial para um estudo exato da física subjacente. Em cenários onde as estruturas de onda são observadas rapidamente a transição para estruturas tridimensionais, recomenda-se que o ângulo de inclinação do substrato ser reduzida14,19 a fim de facilitar uma transição mais lenta das estruturas de onda .
Uma limitação da técnica é observada na ausência de um dispositivo de medição, especificando a espessura da película instantânea real em cada região do impacto. Isto teria fornecido detalhes adicionais sobre os fenómenos observados globais.
Em resumo, o procedimento descrito neste relatório também pode ser usado para estudar a dinâmica de evolução de onda simples, enquanto o sistema de imagem de alta velocidade descrito pode ser aplicado a muitos campos de investigação com dinâmica rápida, tais como a gota de líquido rompimento21, 22/coalescence23, jatos granular24, etc , onde importantes fenômenos são observados em uma micro escala de tempo.

Impacto da gota é um fenômeno muito comum na natureza e atrai a atenção de qualquer observador curioso1. Constitui uma área de pesquisa ativa devido a suas numerosas aplicações incluindo refrigeração spray de supressão de fogo, impressão jato de tinta, revestimento de pulverizador, deposição de colisões de solda em placas de circuito impresso, o projeto de motores de combustão interna, limpeza de superfície e célula-impressão2. Sua aplicação estende-se também à agricultura, por exemplo, aspersão, irrigação e colheita pulverizando3,4. Pioneiro trabalho remonta aoséculo 19, com o trabalho de Worthington5, enquanto grandes avanços somente foram feitos recentemente devido o surgimento de imagens de alta velocidade6 . Desde então, vários estudos foram realizados; utilizando diferentes tipos de superfícies de impacto variando de sólidos7,8, superficial,9 e piscinas profundas líquido10,11 de filmes finos de12,13.
No entanto, apesar do grande volume de pesquisa sobre o impacto da gota em superfícies líquidas (ou seja, piscinas rasas e profundas e filmes quiescentes), impacto no fluxo filmes finos de líquido não recebeu tanta atenção. Além disso, até agora, estudos tem negligenciado as contribuições das estruturas espaciais das ondas a dinâmica de impacto da gota.
Neste relatório, nós apresentamos um procedimento experimental detalhado para investigar o processo de impacto da gota em filmes fluindo, cuja dinâmica é influenciada pela entrada-forçando a taxa de vazão de líquidos; abaixo, nos referimos a eles como filmes 'controlado'. Nós achamos que estes têm inúmeras aplicações nas indústrias multifásicas (por exemplo, na refrigeração Torres, em colunas de destilação e também em regime de fluxo anular observado em fluxos de duas fases), especialmente como controle do filme tornou-se um passo importante para o intensificação de calor e de transferência de massa em muitas indústrias de processo14. O leitor interessado é referido nosso trabalho anterior15 para mais detalhes sobre os resultados dos nossos esforços de pesquisa sobre isso.
Esta aplicação de oscilações de frequência da taxa de fluxo de entrada resulta na formação de ondas regulares na superfície do filme. Focamos na família onda solitária, que é essencialmente caracterizada por picos estreitos amplamente separada e é precedida por uma série de front-running capilar ondas16,17,18. Estudamos o resultado dos impactos associados com as três peças principais da estrutura de onda solitária: o 'filme plana', 'corcunda de onda' e 'capilar onda' de front-running regiões. Nós também Compare estes resultados com aqueles associados com filmes de fluxo descontrolados. Nossos resultados mostram que a natureza estocástica da aparência da onda do filme descontrolada marcadamente afeta o resultado do impacto de queda, com as regiões separadas do filme controlada também mostrando novos mecanismos, que temos ambos detalhado qualitativamente e quantitativamente.
Na anterior papel15, usando o mesmo procedimento, estudamos o efeito do controle de filme sobre a dinâmica de impacto da gota no regime de espirrar. Os resultados obtidos mostraram diferenças quantitativas e qualitativas na morfologia coroa (altura, diâmetro, espessura de parede, ângulo de inclinação e direção) bem como a distribuição de tamanho e número das gotas secundárias ejetadas.
Neste relatório, descrevemos o set-up projetado para entender o papel crucial desempenhado por estas estruturas espaciais na dinâmica do impacto da gota e também presentes detalhes sucintas de nossas descobertas não apenas no regime de espirrar, mas também para outros resultados da gota impacto (Viz saltando, deslizando, coalescência parcial/total). Seguindo o protocolo descrito abaixo, o efeito do controle de filme sobre a dinâmica de impacto da gota pode ser estudado de forma reprodutível.

<table><tbody><tr><td>Function generator</td><td>GW INSTEK</td><td>AFG 2005 Series, Digital. Geo0852266</td><td>Produces a varied type of wave signals, ranging from sine, square to saw-tooth wave at different frequencies (0.1 Hz - 5 MHz).</td></tr><tr><td>Syringe pump</td><td>Braintree Scientific Inc.</td><td>Bs-8000 /225540</td><td></td></tr><tr><td>Solenoid valve</td><td>SMC-VXD</td><td>2142A.&lt;br/&gt; 0AE-5001</td><td>Series-pilot-operated-two-port</td></tr><tr><td>Relay</td><td>Takamisara</td><td>A5W-K.&lt;br/&gt; 154424C-03L</td><td></td></tr><tr><td>Electric pump</td><td>Clarke SP</td><td>SPE1200SS 1</td><td></td></tr><tr><td>Flow meter</td><td>RS Component</td><td>CYNERGY3 UF25B 14011600040110</td><td>Measurement range: 0.2-25 L/min</td></tr><tr><td>Micrometer step</td><td>RS Component</td><td>Micrometer Head</td><td>0.01 mm/0 -13 mm</td></tr><tr><td>High-speed camera</td><td>Olympus</td><td>I-SPEED 3.</td><td>Capable of recording at up to 100, 000 frames per second.</td></tr><tr><td>Light source</td><td>TLC Electrical supplies</td><td>IP54 -black</td><td>Double enclosed halogen floodlight. Rating 500 W.</td></tr><tr><td>Light diffusor</td><td>OptiGraphix</td><td>DFPMET</td><td>250 &amp;mu;m thickness</td></tr><tr><td>Glass substrate</td><td>Instrument Glasses Ltd</td><td>Soda Lime Float Glass; 570 mm x 300 mm x 4 mm</td><td>Flatness tolerance 0.02/0.04.</td></tr><tr><td>Macro-lenses</td><td>(a) Nikon&lt;br/&gt; (b) Sigma</td><td>(a) AF-Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 D&lt;br/&gt; (b) 105 mm f/2.8 Macro-Ex</td><td></td></tr><tr><td>Test-liquid</td><td>De-ionized water from the Imperial College Analytical Lab.</td><td>Standard solution&lt;br/&gt; (AnalaR)</td><td></td></tr></tbody></table>

film control to study contributions of waves to droplet impact dynamics on thin flowing liquid films

Impacto da gota é um fenômeno muito comum na natureza e atrai a atenção devido ao seu fascínio estético e aplicações abrangentes. Estudos anteriores em filmes de líquido fluindo negligenciaram as contribuições das estruturas espaciais das ondas para o resultado do impacto, enquanto isto recentemente foi mostrado para ter uma influência significativa sobre a dinâmica de impacto de queda. Neste relatório, descrevem um procedimento passo a passo para investigar o efeito de forçar a entrada periódica de um filme de líquido fluindo, levando à produção de estruturas de onda spatiotemporally regular sobre a dinâmica de impacto de queda. Um gerador de função no contexto de uma válvula de solenoide é usado para excitar estas estruturas de onda spatiotemporally regulares na superfície do filme, enquanto a dinâmica de impacto de gotas de tamanho uniforme é capturada usando uma câmera de alta velocidade. Três regiões distintas são então estudadas; Viz região capilar onda precede o pico da onda grande, região plana do filme e a região de corcova de onda. Os efeitos de quantidades adimensionais importantes tais como o filme Reynolds, drop Weber e números Ohnesorge parametrizados pela taxa de fluxo do filme, queda de velocidade e tamanho de gota também são examinados. Nossos resultados mostram interessantes, até então desconhecida dinâmica provocada por esta aplicação de filme forçar a entrada do filme flui para as duas gotas de alta e baixa inércia.

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

Um protocolo para estudar as contribuições das ondas a dinâmica de impacto da gota em filmes líquidos fluindo é apresentado.

Controle de filme para estudar as contribuições das ondas a dinâmica de impacto da gota em filmes líquido fluindo fino

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

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Engineering

7.4K visualizações.  Imperial College London. Um protocolo para estudar as contribuições das ondas a dinâmica de impacto da gota em filmes líquidos fluindo é apresentado.

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

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

Técnica rápida de imagens para o Estudo de Impacto Dynamics Gota de fluidos não-newtonianos

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Engenharia

Taking Advantage of Reduced Droplet-surface Interaction to Optimize Transport of Bioanalytes in Digital Microfluidics

Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of &#8220;lab-on-a-chip&#8221; platforms. Often, droplet motion relies on the wetting of a surface, directly associated with the application of an electric field; surface interactions, however, make motion dependent on droplet contents, limiting the breadth of applications of the technique.
Some alternatives have been presented to minimize this dependence. However, they rely on the addition of extra chemical species to the droplet or its surroundings, which could potentially interact with droplet moieties. Addressing this challenge, our group recently developed Field-DW devices to allow the transport of cells and proteins in DMF, without extra additives.
Here, the protocol for device fabrication and operation is provided, including the electronic interface for motion control. We also continue the studies with the devices, showing that multicellular, relatively large, model organisms can also be transported, arguably unaffected by the electric fields required for device operation.

The protocol for fabrication and operation of field dewetting devices (Field-DW) is described, as well as the preliminary studies of the effects of electric fields on droplet contents.

Aproveitando-se de Redução Interação gota-superfície para otimizar o transporte de Bioanalytes em microfluídica Digital

Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of &#8220;lab-on-a-chip&#8221; ...

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds between 0 and 25 m/sec) and a spinning disk device (for examining surface speeds between 15 and 100 m/sec). The air cannon linear traverse is a pneumatic energy-powered system that is designed to accelerate a metal rail surface mounted on top of a wooden projectile. A pressurized cylinder fitted with a solenoid valve rapidly releases pressurized air into the barrel, forcing the projectile down the cannon barrel. The projectile travels beneath a spray nozzle, which impinges a liquid jet onto its metal upper surface, and the projectile then hits a stopping mechanism. A camera records the jet impingement, and a pressure transducer records the spray nozzle backpressure. The spinning disk set-up consists of a steel disk that reaches speeds of 500 to 3,000 rpm via a variable frequency drive (VFD) motor. A spray system similar to that of the air cannon generates a liquid jet that impinges onto the spinning disc, and cameras placed at several optical access points record the jet impingement. Video recordings of jet impingement processes are recorded and examined to determine whether the outcome of impingement is splash, splatter, or deposition. The apparatuses are the first that involve the high speed impingement of low-Reynolds-number liquid jets on high speed moving surfaces. In addition to its rail industry applications, the described technique may be used for technical and industrial purposes such as steelmaking and may be relevant to high-speed 3D printing.

Two experimental devices for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device and a spinning disk device. The apparatuses are used to determine optimal approaches to the application of liquid friction modifier (LFM) onto rail tracks for top-of-rail friction control.

Visualização de alta velocidade líquido Jet impactação sobre uma superfície móvel

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds ...

Capillary-based Centrifugal Microfluidic Device for Size-controllable Formation of Monodisperse Microdroplets

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal microfluidic device. W/O microdroplets have recently been used in powerful methods that enable miniaturized chemical experiments. Therefore, developing a versatile method to yield monodisperse W/O microdroplets is needed. We have developed a method for generating monodisperse W/O microdroplets based on a capillary-based centrifugal axisymmetric co-flowing microfluidic device. We succeeded in controlling the size of microdroplets by adjusting the capillary orifice. Our method requires equipment that is easier-to-use than with other microfluidic techniques, requires only a small volume (0.1-1 &#181;l) of sample solution for encapsulation, and enables the production of hundreds of thousands number of W/O microdroplets per second. We expect this method will assist biological studies that require precious biological samples by conserving the volume of the samples for rapid quantitative analysis biochemical and biological studies.

Here, we demonstrate a simple production method for size-controllable, monodisperse, water-in-oil (W/O) microdroplets using a capillary-based centrifugal microfluidic device. This method requires only a small sample volume and enables high-yield production. We expect this method will be useful for rapid biochemical and cellular analyses.

Dispositivo micro centrífuga baseada capilar para a Formação tamanho controlável de Monodisperse microgotas

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal ...

Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion co-flow device to generate uniform high-viscosity droplets in a low-viscosity fluid. The microfluidic capillary device has a common co-flow structure with its exit connecting to a wider tube. Elongated droplets of the low-viscosity fluid are first encapsulated by the high-viscosity fluid in the co-flow structure. As the elongated low-viscosity droplets flow through the exit, which is treated to be wetted by the low-viscosity fluid, phase inversion is then induced by the adhesion of the low viscosity droplets to the tip of the exit, which results in the subsequent inverse encapsulation of the high-viscosity fluid. The size of the resultant high-viscosity droplets can be adjusted by changing the flow rate ratio of the low-viscosity fluid to the high-viscosity fluid. We demonstrate several typical examples of the generation of high-viscosity droplets with a viscosity up to 11.9 Pas, such as glycerol, honey, starch, and polymer solution. The method provides a simple and straightforward approach to generate monodisperse high-viscosity droplets, which may be used in a variety of droplet-based applications, such as materials synthesis, drug delivery, cell assay, bioengineering, and food engineering.

A phase-inversion co-flow device is demonstrated to generate monodisperse high-viscosity droplets above 1 Pas, which is difficult to realize in droplet microfluidics.

Fabricação de gotículas de alta viscosidade usando dispositivo capilar microfluídico com estrutura de co-fluxo de inversão de fase

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion ...

Química

Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. This paper proposes a semi-three-dimensional (semi-3D) flow-focusing microfluidic chip for droplet formation. The polydimethylsiloxane (PDMS) chip was fabricated using the multi-layer soft lithography method. Hexadecane containing surfactant was used as the continuous phase, and PEGDA with the ultraviolet (UV) photo-initiator was the dispersed phase. Surfactants allowed the local surface tension to drop and formed a more cusped tip which promoted breaking into tiny micro-droplets. As the pressure of dispersed phase was constant, the size of droplets became smaller with increasing continuous phase pressure before dispersed phase flow was broken off. As a result, droplets with size variation from 1 &#181;m to 80 &#181;m in diameter could be selectively achieved by changing the pressure ratio in two inlet channels, and the average coefficient of variation was estimated to be below 7%. Furthermore, droplets could turn into micro-beads by UV exposure for photo-polymerization. Conjugating biomolecules on such micro-beads surface have many potential applications in the fields of biology and chemistry.

Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Here, we present a protocol to illustrate the fabrication processes and verifying experiments of a semi-three-dimensional (semi-3D) flow-focusing microfluidic chip for droplet formation.

Geração de tamanho controlado poli (etileno glicol) Diacrylate gotículas através de Semi-3-Dimensional Flow focando Microfluidic dispositivos

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. ...

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

Visualmente, com base em caracterização do movimento de partículas incipiente em substratos Regular: de Laminar para turbulentas condições

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Impacts of Free-falling Spheres on a Deep Liquid Pool with Altered Fluid and Impactor Surface Conditions

Vertical impacts of spheres on clean water have been the subject of numerous water entry investigations characterizing cavity formation, splash crown ascension and Worthington jet stability. Here, we establish experimental protocols for examining splash dynamics when smooth free-falling spheres of varying wettability, mass, and diameter impact the free surface of a deep liquid pool modified by thin penetrable fabrics and liquid surfactants. Water entry investigations provide accessible, easily assembled and executed experiments for studying complex fluid mechanics. We present herein a tunable protocol for characterizing splash height, flow separation metrics, and impactor kinematics, and representative results which might be acquired if reproducing our approach. The methods are applicable when characteristic splash dimensions remain below approximately 0.5 m. However, this protocol may be adapted for greater impactor release heights and impact velocities, which augurs well for translating results to naval and industry applications.

This protocol demonstrates the basic experimental configuration for water entry experiments with free-falling spheres. Methods for the alteration of liquid surface with penetrable fabrics, the preparation of chemically non-wetting spheres, and steps for splash visualization and data extraction are discussed.

Impactos das esferas em queda livre em um Pool profundo líquido com condições de superfície alterado fluido e pêndulo

Vertical impacts of spheres on clean water have been the subject of numerous water entry investigations characterizing cavity formation, splash crown ...

Measuring the Interaction Force Between a Droplet and a Super-hydrophobic Substrate by the Optical Lever Method

The goal of this paper is to investigate the interaction force between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. A measurement system based on an optical lever method is designed. A millimetric cantilever is used as a force sensitive component in the measurement system. Firstly, the force sensitivity of the optical lever is calibrated using electrostatic force, which is the critical step in measuring interaction force. Secondly, three super-hydrophobic substrates with different grid fractions are prepared with nanoparticles and copper grids. Finally, the interaction forces between droplets and super-hydrophobic substrates with different grid fractions are measured by the system. This method can be used to measure the force on the scale of sub-micronewton with a resolution on the scale of nanonewton. The in-depth study of the contact process of droplets and super-hydrophobic structures can help to improve the production efficiency in coating, film and printing. The force measurement system designed in this paper can also be used in other fields of microforce measurement.

The protocol aims to investigate the interaction between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. This includes calibrating the measurement system and measuring the interaction force at super-hydrophobic substrates with different grid fractions.

Medindo a força de interação entre um droplet e um substrato super-hidrofóbico pelo método de alavanca óptica

The goal of this paper is to investigate the interaction force between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. A measurement system based on ...

High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts

Experimental studies of liquid drop impacts on surfaces are often restricted in their scope due to the large range of possible experimental parameters such as material properties, impact conditions, and experimental configurations. Compounding this, drop impacts are often studied using data-rich high-speed photography, so that it is difficult to analyze many experiments in a detailed and timely manner. The purpose of this method is to enable efficient study of droplet impacts with high-speed photography by using a systematic approach. Equipment is aligned and calibrated to produce videos that can be accurately processed by a custom image processing code. Moreover, the file structure setup and workflow described here ensure efficiency and clear organization of data processing, which is carried out while the researcher is still in the lab. The image processing method extracts the digitized outline of the impacting droplet in each frame of the video, and processed data are stored for further analysis as required. The protocol assumes that a droplet is released vertically under gravity, and impact is recorded by a camera viewing from side-on with the drop illuminated using shadowgraphy. Many similar experiments involving image analysis of high-speed events could be addressed with minor adjustment to the protocol and equipment used.

This protocol enables efficient collection of experimental high-speed images of liquid drop impacts, and speedy analysis of those data in batches. To streamline these processes, the method describes how to calibrate and set up apparatus, generate an appropriate data structure, and deploy an image analysis script.

Análise de alto throughput de impactos de gotículas líquidas

Experimental studies of liquid drop impacts on surfaces are often restricted in their scope due to the large range of possible experimental parameters ...