Name: film control to study contributions of waves to droplet impact dynamics on thin flowing liquid films
Uploaded: 2018-08-18T13:00:00
Duration: 7 min 8 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films at JoVE.com

Ce travail a été parrainé par le Fonds de développement technologique du pétrole (PTDF, Nigéria) et de l’ingénierie et Physical Sciences Research Council, UK, via le Programme de subvention MEMPHIS (numéro de licence EP/K003976/1). Les auteurs apprécient également des discussions fructueuses avec Dr Zhizhao Che.

1. experimental Rig Setup
Remarque : Voir la Figure 1.
<ol><li>
Unité de film tombant
	<ol>
<li>Commencez par nettoyer la surface du substrat (verre) avec un chiffon propre et doux. Ne respecter aucune saleté est sa surface, ce qui modifierait les propriétés liquides.</li>
		<li>La valeur du pivot du substrat verre l’angle d’inclinaison désiré. Un angle β, de 15 ° d’inclinaison a été utilisé dans ce travail.</li>
		<li>Mettre en marche la pompe électrique et assurer un flux liquid normal sur la surface du film pour nettoyer également le substrat de verre. Pour ce travail, le liquide d’essai était de l’eau désionisée.</li>
		<li>S’assurer que la totalité de la surface du substrat est mouillé.</li>
		<li>Mesure du débit de film à l’aide du débitmètre. Pour ce travail, le débit a été varié de 1.667 x 10-3 et 10 x 10-3 m3/s avec le film correspondant nombre de Reynolds, Re = ρq/wµ, allant de 55,5 à 333. w est la largeur du film tombant, 0,30 m.</li>
		<li>Ajustez graduellement les vannes sur le raccordement de débit pour obtenir le débit désiré sur le substrat de verre.</li>
		<li>Ajuster l’ensemble de l’étape de micromètre à l’entrée du film à la valeur d’épaisseur de film Nusselt correspondante pour le débit choisi, afin d’éviter un ressaut hydraulique à l’entrée de film ou un refoulement d’air dans la chambre de distribution.</li>
		<li>Manuellement siphonner tout l’air dans la chambre de distribution afin d’obtenir un écoulement uniforme en aval sur la surface du film.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Unité de commande de film
	<ol>
<li>Assurez-vous que l’appareil est connecté à l’électrovanne au moyen d’un relais sans verrouillage via une carte d’acquisition de données (DAC).</li>
		<li>Basculez sur l’électrovanne et le générateur de fonctions.</li>
		<li>Régler le générateur de fonction sur la fréquence souhaitée de forçage. Dans cet ouvrage, fréquences de 2 et 3 Hz ont été utilisées.</li>
		<li>Choisir le signal d’onde désirée (onde sinusoïdale, dents de scie, carré, etc.). Dans cet ouvrage, un signal sinusoïdal a été utilisé. Figure 2 a et 2 b montrent le contraste entre un film non contrôlé et un film contrôlé.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Système de génération de gouttelettes
	<ol>
<li>Fixer un tube de plastique propre à une seringue remplie d’eau.</li>
		<li>Insérer la seringue dans le générateur de gouttelettes.</li>
		<li>Apposer une aiguille de seringue, d’une taille choisie (selon le diamètre désiré gouttelettes) sur l’autre extrémité de la tubulure en plastique. La gamme de diamètres de gouttelettes étudiée était entre 0,0023 à 0,0044 m.</li>
		<li>Ajuster la hauteur de chute de la chute au-dessus de la surface du film. Dans ce travail, hauteur de chute de la baisse variait de 0,005 à 0,45 m, donnant la vitesse d’impact entre 0,30 ± 0,02 - 2.96 ± 0,06 m/s.</li>
		<li>De même, la valeur du point d’impact longitudinale de la goutte de l’entrée du cinéma. Cela a été mis à 0,3 m dans ce travail pour s’assurer que les vagues sont bien formés avant l’impact.</li>
		<li>Fixer un taux de débit souhaité pour le pousse-seringue.</li>
		<li>Régler le débit pour atteindre une fréquence de génération des gouttelettes supérieure à la longueur d’onde des vagues formées sur la surface du film ; pour assurer les gouttes successivement empiètent sur des régions différentes du film contrôlé. Voir la Figure 2; avec un élargissement d’une forme d’onde du singulier en Figure 2D pour montrer les différences dans le profil d’écoulement sous chaque région19,20.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Programme d’installation d’imagerie haute vitesse
	<ol>
<li>Placez la caméra sur un trépied (ou tout autre arrangement approprié).</li>
		<li>Sélectionner l’objectif macro avec une longueur de focale désirée et raccorder à l’appareil photo.</li>
		<li>Allumez la caméra à grande vitesse et assurer une mise au point directe sur la surface du film. Aligner la caméra à 7 ° et 12˚ des écarts horizontaux et verticaux respectivement à la surface du film. Cela donne une excellente image de vue latérale du processus d’impact, ce qui entraîne une résolution de 67,5 µm/pixel et 46,6 µm/pixel dans les directions longitudinale et envergure, respectivement.</li>
		<li>Ajuster le focus de la caméra-lens (à la plus grande ouverture) utilisant un élément de calibrage placé exactement sur l’impact de gouttelettes spot.</li>
		<li>Dès qu’une mise au point nette a été obtenu, réduire l’ouverture pour s’assurer seulement une petite quantité de la lumière entre dans l’appareil.</li>
		<li>Définissez la cadence désirée, une résolution et la vitesse d’obturation de la caméra à grande vitesse. Une cadence de 5000 IPS, 800 x 600 résolution, ouverture taille 1/16, et une vitesse d’obturation de 1 µs ont été utilisées dans ce travail.</li>
		<li>Placer le diffuseur en face de la source de lumière, comme illustré à la Figure 1, pour s’assurer que la lumière est diffusée uniformément dans toute la région d’imagerie.</li>
		<li>Allumez la source de lumière afin de confirmer la diffusion uniforme de la lumière au-dessus de la zone d’imagerie.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. étalonnage
Remarque : Voir la Figure 3.
<ol><li>Mettre une règle dans le sens d’écoulement de film (exactement à l’endroit de l’impact) et obtenir des instantanés des points mesurés sur la surface du film.</li>
	<li>Répéter mais 2.1 avec le souverain dans le sens d’envergure.</li>
	<li>Utilisez ce qui précède pour obtenir les résolutions spatiales sur la surface du film.</li>
</ol>3. enregistrement vidéo et Acquisition de données
<ol><li>Une fois que le débit de film est mis en place sur le banc, démarrer la pompe seringue et observer l’impact des gouttes dégoulinant sur la surface du film.</li>
	<li>Démarrer le générateur de fonctions et d’observer la production d’ondes spatio-temporelle réguliers sur la surface du film.</li>
	<li>S’assurer que les baisses successives ont un impact sur les différentes régions de la surface du film contrôlé.</li>
	<li>Observer le déclenchement après nombre de cadrer et définir cette approximativement la moitié de la longueur vidéo pour capturer correctement l’impact.</li>
	<li>Allumez la source lumineuse et la capture d’image une fois que se produit un effet de détente.</li>
	<li>Mise hors tension de la source de lumière une fois que la capture d’image est terminée pour éviter la surchauffe du film liquid.</li>
	<li>Visuellement, analyser l’instantané obtenu sur l’écran de l’ordinateur. Vérifiez si l’impact a eu lieu sur l’un des film plat, vague capillaire, ou vague bosse régions.</li>
	<li>Réduire la vidéo pour la partie affichage du processus et enregistrer la plage d’images dans un format de vidéo/image.</li>
	<li>Répétez l’impact individuel 3,5-3,8 et enregistrement sur toutes les régions sur la surface du film, viz. bosse solitaire, ondes capillaires et film plat.</li>
</ol>4. analyse et post-traitement de l’image
<ol><li>Placez une règle dans le champ de vision et calculer la résolution spatiale en comptant le nombre de pixels monter sur 1 cm. en utilisant l’image de calibration, obtenir un facteur d’échelle de mesure dimension de l’image.</li>
	<li>Comparer les résultats de la procédure des répercussions sur les régions de l’impact différent à partir des images à grande vitesse. Vérifiez les différences notables.</li>
	<li>À l’aide d’une routine de traitement d’image adaptée MATLAB, mesurer les caractéristiques de caractéristiques du produit du processus d’impact : c'est-à-dire en mode éclaboussant, mesurer la hauteur du houppier, diamètre, épaisseur de paroi, angle d’inclinaison, Couronne face vers, nombre et taille répartition des gouttelettes secondaires éjectés.</li>
	<li>Réaliser des analyses quantitatives semblables comme 4.3 ci-dessus pour les impacts de la basse-Weber. Décompte le temps de pincement du satellite tombe à partir des images de temps-encadré et mesure la longueur de l’apex et la largeur de la colonne formée en coalescence partielle avant pincement de gouttes secondaires. Mesurer la taille des gouttes secondaires éjectés. Compter le nombre de cascade dans un processus répété de pincement.</li>
	<li>Observez toutes les différences qualitatives dans chaque région.</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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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. 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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>

Les auteurs n’ont rien à déclarer.

Dans cette section, nous fournissons quelques conseils nécessaire pour garantir des résultats qualitatifs sont obtenus à partir du protocole. Tout d’abord, le substrat de verre sur lequel le flux de liquide du film doit être complètement sans poussière pour garantir les propriétés du film liquide sont conservés sans compromis. Ceci est réalisable par un nettoyage régulier (probablement à l’aide d’un détergent adapté et essuyée sur un plateau pour éviter la dissolution dans le système). De même, il faudrait un remplacement régulier du liquide-test entier après quelques tours expérimentales, afin de garantir des résultats précis.
Deuxièmement, la chambre de distribution de fluide doit être bien maillée et gardé aussi étanche à l’air pour que le film liquide sortant soit uniform. Cela peut être fait en siphonnant manuellement air out of the box distribution avant chaque expérience. L’utilisation de micromètre-marches à l’entrée du cinéma est aussi conseillée pour définir l’écart-hauteur à l’entrée de film dans l’épaisseur du film exact prévue par l’estimation de Nusselt du débit film au nombre de Reynolds correspondant. Cela permettra d’éviter un ressaut hydraulique ou refoulement à l’entrée.
Le fonctionnement de l’électrovanne doit également toujours être vérifié et constaté correctement. C’est parce qu’une pulsation appropriée du débit est nécessaire pour assurer la production des vagues forcés. Ceci peut être vérifié depuis le cliquetis régulier de l’électrovanne, mais aussi une pulsation perçue sur les tuyaux de raccordement. Le débit du liquide dans la pompe seringue doit également être défini avec précaution afin d’assurer que les gouttelettes sont éjectés d’une manière dégoulinant, évitant toute accélération préalable avant de tomber.
Étalonnage de l’appareil à grande vitesse doit être assurée afin d’obtenir des résultats très précis. La taille de l’ouverture doit également être soigneusement choisie compte tenu des paramètres tels que la profondeur de champ, temps d’exposition et luminosité de l’image globale. Pour la caméra de déclenchement pendant l’enregistrement vidéo, les utilisateurs doivent également d’estimer combien d’images doit être enregistrées avant de déclencher. Cela peut varier avec les individus, selon l’heure d’impact de chute, par conséquent, plusieurs essais pour la pratique sont recommandés avant les mesures réelles. De même, la source lumineuse doit être convenablement disposés et bien diffusé pour minimiser les ombres de l’image.
Il est important de noter et se rappeler que l’objectif principal de l’étude est la contribution des vagues à la dynamique de l’impact des gouttes tombant, d'où la formation de structures vague régulière est indispensable à une étude précise de la physique sous-jacente. Dans les scénarios où les structures de vague sont observées à passer rapidement à des structures en trois dimensions, il est conseillé que l’angle d’inclinaison de substrat soit réduite de14,19 pour faciliter une transition plus lente des structures vague .
Une des limites de la technique sont observée en l’absence d’un dispositif de mesure spécifiant l’épaisseur réelle film instantané sur chaque région de l’impact. Cela aurait fourni des détails supplémentaires sur les phénomènes observés ensemble.
En résumé, la procédure décrite dans le présent rapport peut également être utilisée pour étudier la vague simple évolution dynamique, tandis que le système d’imagerie à grande vitesse décrit peut être appliqué à de nombreux domaines de recherche dynamique rapide comme goutte liquide éclatement21, 22/coalescence23, jets granulaire24, etc. , où les phénomènes importants sont observés à une micro échelle de temps.

Impact de gouttelettes est un phénomène très fréquent dans la nature et attire l’attention de n’importe quel observateur curieux1. Elle constitue un domaine de recherche actif en raison de ses nombreuses applications, y compris les refroidissement par spray-lutte contre les incendies, jet d’encre-impression, revêtement par pulvérisation, dépôts de bosses de soudure sur les cartes de circuits imprimés, la conception des moteurs à combustion interne nettoyage des surfaces et l’impression-cell2. Son application s’étend aussi à l’agriculture, par exemple, arrosage, irrigation et récoltes pulvérisation3,4. Pionnier travail remonte à la 19ème siècle, avec les travaux de Worthington5, tandis que des progrès majeurs n’ont été faits récemment en raison de l’émergence de l' imagerie haute vitesse6. Depuis lors, plusieurs études ont été réalisées ; à l’aide de différents types de surfaces d’impact allant de solides7,8, peu profonds,9 et des piscines profondes liquide10,11 à films minces12,13.
Cependant, malgré le volume important de recherche sur l’impact des gouttelettes sur une surface liquide (c'est-à-dire, les piscines superficielles et profondes et films quiescentes), impact sur l’écoulement liquides minces n’a pas reçu autant d’attention. En outre, jusqu'à présent, des études ont négligé les contributions des structures spatiales des vagues à la dynamique d’impact de gouttelettes.
Dans ce rapport, nous présentons un procédé expérimental détaillé afin d’étudier le processus d’impact de gouttelettes fluides films dont les dynamiques sont influencés par l’inlet-forçage du débit liquide ; ci-dessous, nous nous référons à eux comme des films « contrôlée ». Nous trouvons que ceux-ci ont de nombreuses applications en industries multiphases (p. ex., en refroidissement tours, dans les colonnes de distillation et aussi dans le régime d’écoulement annulaire observés dans les écoulements diphasiques), surtout que le film contrôle est devenu une étape importante dans la intensification de la chaleur et transfert de masse dans de nombreux processus industries14. Le lecteur intéressé est appelé à nos précédents travaux15 pour plus de détails sur les résultats de nos efforts de recherche là-dessus.
Cette application des oscillations de fréquence du débit d’entrée conduit à la formation des vagues régulières sur la surface du film. Nous nous concentrons sur la famille de l’onde solitaire, qui se caractérise essentiellement par des pics étroits très espacées et est précédée par une série de passe-passe ondes capillaires16,17,18. Nous étudions les résultats des impacts associés avec les trois parties principales de la structure de l’onde solitaire : les « film plat » et « bosse vague » régions « vague capillaire » de passe-passe. Nous comparons également ces résultats avec ceux qui sont associés aux films écoulement incontrôlés. Nos résultats montrent que la nature stochastique d’apparence vague sur le film incontrôlé affecte sensiblement le résultat de l’impact de la baisse, avec les régions distinctes du film contrôlé présentaient également des mécanismes nouveaux, que nous avons détaillé les deux qualitativement et quantitativement.
Dans le précédent document de15, en utilisant la même procédure, nous avons étudié l’effet du contrôle de film sur la dynamique effet gouttelettes dans le régime de l’éclaboussement. Les résultats obtenus ont montré des différences quantitatives et qualitatives dans la morphologie de la Couronne (hauteur, diamètre, épaisseur de paroi, angle d’inclinaison et direction) ainsi que la distribution en nombre et taille des gouttelettes secondaires éjectés.
Dans ce rapport, nous décrivons l’installation conçue pour comprendre le rôle essentiel joué par ces structures spatiales dans la gouttelette impact dynamique et aussi les présents détails succincts de nos conclusions, non seulement dans le régime d’éclaboussures, mais aussi pour les autres résultats de gouttelettes impact (àsavoir rebondir, glisser, la coalescence partielle/totale). En suivant le protocole standard décrit ci-dessous, l’effet du contrôle de film sur la dynamique d’impact de gouttelettes peut être étudié de façon reproductible.

<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. 
			0AE-5001</td>
			<td>Series-pilot-operated-two-port</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Relay</td>
			<td>Takamisara</td>
			<td>A5W-K. 
			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 &#956;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 
			(b) Sigma</td>
			<td>(a) AF-Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 D 
			(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 
			(AnalaR)</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

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

Impact de gouttelettes est un phénomène très fréquent dans la nature et attire l’attention grâce à sa fascination esthétique et les applications de grande envergure. Des études antérieures sur les films de liquides qui coule ont négligé les contributions des structures spatiales des ondes à l’issue de l’impact, alors que cela a été récemment montré d’avoir une influence significative sur la dynamique d’impact de chute. Dans ce rapport, nous décrivons une procédure étape par étape pour étudier l’effet du forçage d’entrée périodique d’un film liquid qui coule, menant à la production de structures vague spatio-temporelle régulière sur la dynamique des effets goutte. Un générateur de fonctions dans le cadre d’une électrovanne est utilisé pour exciter ces structures vague spatio-temporelle régulier sur la surface du film, tandis que la dynamique de l’impact des gouttelettes de taille uniforme est capturée à l’aide d’une caméra à grande vitesse. Trois régions distinctes sont ensuite étudiées ; à savoir la région de vague capillaire précédant le pic de la grande vague, la région de film plat et la région de bosse de vague. Les effets d’importantes quantités sans dimension tel que le film Reynolds, drop Weber et nombre d’Ohnesorge paramétrées par le débit de film, vitesse de chute et la taille des gouttes est également examinées. Nos résultats montrent intéressants, jusqu’alors inconnues de la dynamique provoquée par cette application du film d’arrivée forçage du film pour les deux gouttes de la basse et à haute inertie qui coule.

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

Un protocole pour étudier la contribution des vagues à la dynamique effet gouttelette sur films de liquides qui coule est présenté.

Commande de film pour étudier les Contributions des ondes à gouttelettes Impact dynamique sur mince qui coule liquide Films

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

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