Botsende druppels zijn alomtegenwoordig in alledaagse technologieën zoals verbrandingsmotoren en sprays, en bij natuurlijke processen zoals regendruppels en bij wolkenvorming. De botsingsresultaten zijn afhankelijk van de snelheid van de botsing, mate van afstemming, intrinsieke eigenschappen van oppervlaktespanning en een laag bevochtigend oppervlak. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Olinka Ramírez-Soto en een team van wetenschappers in polymeeronderzoek, vloeistofdynamica, chemische en materiaalkunde in Duitsland, Nederland en de VS hebben de dynamiek onderzocht van een oliedruppel die inslaat op een identieke sessiele druppel op een superamfifoob oppervlak. Een superamfifoob oppervlak is analoog aan superhydrofobiciteit (waterafstotend), hoewel het zowel polaire als niet-polaire vloeistoffen kan afstoten. Met behulp van numerieke simulaties, het team herschiep reboundscenario's om de snelheidsprofielen te kwantificeren, energieoverdracht en viskeuze dissipatie in de experimentele opstelling. Dit werk toonde de invloed van de impactsnelheid op de rebound-dynamiek voor oliedruppel-op-druppelbotsingen op superamfifobe oppervlakken.

Onderzoek naar drop-on-drop impact

Wanneer een vloeistofdruppel inslaat op een zittende druppel van een identieke vloeistof, de intuïtieve verwachting is dat beide druppels samenvloeien of combineren. Dit proces komt vaak voor bij regen en druppels uit een lekkende kraan, maar soms kan een dunne laag lucht tussen twee druppels ervoor zorgen dat waterdruppels perfect weerkaatsen van hydrofiele (waterminnende) oppervlakken. In de jaren 1800, wetenschapper en ingenieur Osborn Reynolds registreerde en schreef voor het eerst de glijdende beweging van waterdruppels over een poel toe aan dit fenomeen. Een damplaag is eveneens verantwoordelijk voor het Leidenfrost-effect, waar een druppel boven een oververhit oppervlak zweeft.

Ondanks experimentele karakterisering van impactdynamiek, methoden om de snelheidsvelden en energieoverdracht kwantitatief te modelleren ontbreken. Studies naar drop-on-drop-impact op superamfifobe oppervlakken worden momenteel gehinderd door een beperkt aantal technieken om niet-bevochtigende oppervlakken te ontwerpen. Het is daarom belangrijk om te begrijpen welke scenario's druppel-op-druppel-impact van olie op een superamfifoob oppervlak bepalen en hoe energie wordt overgedragen tussen de druppels. In dit onderzoek, Ramírez-Soto et al. experimenteel en numeriek de dynamiek bestudeerd van een oliedruppel met een lage oppervlaktespanning die inslaat op een sessiele vloeistof van vergelijkbare samenstelling die op een superamfifoob oppervlak rust. Het team liet zien hoe de inslaande oliedruppel de rustende druppel van het oppervlak kon tillen zonder samen te smelten.

De wetenschappers voerden vier rebound-experimenten uit zonder samensmelting. In het eerste scenario beide druppels kaatsen terug; in twee andere scenario's, de impact drop rebounds terwijl de sessiele drop blijft, en in het laatste scenario kaatst de sessiele druppel terug terwijl de inslaande druppel aan het oppervlak gebonden blijft. Tijdens de experimenten, Ramírez-Soto et al. plaatste voorzichtig een sessiele oliedruppel op een superamfifoob oppervlak en sloeg erop met een tweede identieke druppel. Ze creëerden het superamfifobe oppervlak met behulp van een 20 µm dikke laag kaarsroet, die een poreus netwerk van koolstofnanokralen bevatte. Om de stabiliteit van het kwetsbare netwerk te vergroten, ze zetten een laag silica af op de poreuze nanostructuren. Ze verlaagden de oppervlakte-energie van het met roet gevormde oppervlak door middel van fluorering om een ​​superamfifoob oppervlak te produceren dat water en de meeste oliën afstootte. De wetenschappers gebruikten hexadecaan als modelolie tijdens de experimenten vanwege een groot aantal gunstige eigenschappen, waaronder het Newtoniaanse gedrag, en registreerden de hoek van een druppel hexadecaan met behulp van confocale microscopie. De studie vergeleek kwantitatief de experimentele en numerieke gegevens van de rebound-dynamiek. Ramírez-Soto et al. berekend en bevestigde de waarde van de vorm van de druppel met behulp van de Young-Laplace-vergelijking.

Experimentele uitkomsten en numerieke simulaties.

Het team observeerde zes uitkomsten voor impactdynamiek. Tijdens de botsing, beide druppels vervormd en spreidden zich radiaal uit om axiale compressie te tonen, terwijl de kinetische energie van het systeem wordt overgedragen naar de oppervlakte-energieën van beide. Toen de druppels zich begonnen terug te trekken, de voorheen sessiele druppel bracht energie terug naar de botsende druppel in de vorm van kinetische energie. Na aanrijding, de inslaande druppel stuiterde weg, terwijl de sessiele druppel op het substraat bleef. De wetenschappers handhaafden een constant Weber-getal ( We ~ 1.5) voor alle zes waargenomen gevallen; waarbij de parameter typisch de verstuivingskwaliteit van een spray of de resulterende druppelgrootte van emulsies kenmerkte. Vervolgens plotten ze de frontale uitlijning (aangeduid met X) en verhoogden ze het Weber-getal voor coalescentie van druppels in de experimentele opstelling. Ze schreven de uitkomst toe aan de instabiliteit van de luchtlaag tussen de druppels als gevolg van direct contact onder de experimentele omstandigheden.

Ramírez-Soto et al. voerde vervolgens directe numerieke simulaties (DNS) uit om het effect van de snelheidsvelden en energieoverdracht tussen druppels te illustreren en de resultaten te vergelijken met de experimentele gegevens. Het team gebruikte de geometrische vloeistofvolume (VOF) -methode en bewaarde een eindige laag lucht tussen de druppels gedurende het hele proces om experimentele omstandigheden na te bootsen om niet-samensmeltende druppels te bereiken met behulp van simulaties. Het team voerde de eerste vier simulaties uit en kwantificeerde de snelheidsvectorvelden voor elk geval; de resultaten zullen het mogelijk maken om de dynamiek van het oliedruppel-op-druppelbotsingsproces kwantitatief te onderzoeken.

Energiebudget

In alle gevallen, de inslaande druppel bevatte energie als mechanische energie (in de vorm van kinetische en potentiële energie) en als oppervlakte-energie van de sessiele druppel. De mechanische energie van het systeem nam vervolgens af en werd overgebracht naar de oppervlakte-energie van de gecombineerde druppeltjes. Een herstelstap volgde op de overdracht, waarin oppervlakte-energie terug wordt overgebracht naar de mechanische energie van het systeem, terwijl een deel van de energie verdween in de vorm van viskeuze dissipatie. Dit proces zorgde voor gecombineerde energie die in de vloeistofdruppels en in de omringende lucht werd gedissipeerd. The calculations also accounted the layer of air between drop-on-drop contact as well as between drop-on-superamphiphobic substrate. The numerical simulations provided a quantitative description of impact dynamics, where a strong agreement existed between the drop boundaries and experimental mechanical energies.

Op deze manier, Olinka Ramírez-Soto and colleagues combined systematic experiments and numerical simulations to predict and control the outcome of binary oil drop impacts on low-adhesion surfaces. The experimental and numeric one-on-one comparisons revealed the drop boundaries and center of mass mechanical energies, while illustrating the power of direct numerical simulations. The study highlighted how the alignment of droplet impact alone could be used to determine the recovered energy distribution between two drops after impact.

© 2020 Wetenschap X Netwerk