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液膜への液滴衝突過程挙動を分析

University of Michigan–Shanghai Jiao Tong University Joint Instituteの研究グループが、液膜への液滴衝突過程挙動を分析しました。

この研究成果は、Experimental Thermal and Fluid Scienceに掲載されています。


この記事は下記論文の紹介記事です。

論文:

Ersoy, Nuri Erdem, and Morteza Eslamian. "Phenomenological Study and Comparison of Droplet Impact Dynamics on a Dry Surface, Thin Liquid Film, Liquid Film and Shallow Pool." Experimental Thermal and Fluid Science (2019): 109977.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0894177719307290


乾燥した表面または液体層に液滴が衝突する過程で、いくつかの興味深い現象が発生します。

本研究では、各ウェーバー(We)数の液滴を、乾燥表面、薄い液膜、厚い液膜と厚みが異なる液膜層に衝突させ、現象を解析しました。

検証した厚み範囲は、0から1.768mmです。検証した厚みと液滴のサイズ比率は、125〜437倍に相当します。


なお、このような解析を行うため、染色された水滴が基板上に放出し、カラー高速カメラを用いて、液滴と液膜の相互作用の詳細を観察しました。


この結果、We数と液膜厚みを変化させることで、さまざまな現象を観察できました。

乾燥した表面への液滴の衝突過程において、低いWe数では、液滴の広がりが生じ、最も濡れ広がった状態で表面にピンニングが発生しましたが、高いWe数ではピンニングされずに液滴径の収縮を観察しました。

乾燥した表面を液体層に置き換えた場合は、同じWe番号に対して、一連の衝撃現象が現れました。We数と液膜厚みに応じた液体層、クラウンの形成とスプラッシュ、表面波、着滴中心部におけるワーシントンジェットの形成と分裂が観察されました。


これらの研究の結果、薄い液膜(TLF)、液膜(LF)、浅いプール(SP)の3つの異なる領域が特定されました。

この領域ごとに衝突後の濡れ広がり挙動が異なる様子を観察しました。

なお、衝撃特性は液膜厚みによらず非常に似ていることを確認しました。

また、最大の広がりに達するまでにかかる時間は、薄い液膜レジームで最も短く、乾燥した表面の時間よりも短くなること、伝播する波の速度は、液膜および浅いプール領域の潜在的な流れの影響を受けること、薄い液膜領域では、粘性境界層の影響で波長と波速度が大幅に減少することを確認しました。


なお、液滴と液膜との混合は、薄い液膜レジームで最も効果的に起こり、乾燥した表面での拡散よりも速く、一般的に液膜の厚さの増加とともに遅くなることが観察されました。


#液滴 #衝突 #乾燥 #混合

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