Ny metode bestemmer fordelingen af ​​dråbestørrelser for en bred vifte af klæbrige væsker

Hvis du nogensinde har sprøjtet maling på et lærred eller sprayet et bagepapir med olie, du skabte sandsynligvis – bortset fra et mindre rod – en byge af dråber, lige fra pletter på størrelse med en krone til pletter med blyantsspidser.

Sådanne dråbestørrelser kan virke tilfældige, men nu kan ingeniører ved MIT forudsige en væskes dråbestørrelsesfordeling, herunder sandsynligheden for at producere meget store og meget små dråber, baseret på én hovedegenskab:væskens viskoelasticitet, eller klæbrighed. Hvad mere er, holdet har fundet ud af, at forbi en vis klæbrighed, væsker vil altid udvise det samme relative område af dråbestørrelser.

At vide, hvor store eller små en flydende sprays dråber kan være, kan hjælpe forskere med at identificere optimale væsker til en række industrielle anvendelser, fra at forhindre fejl i billakering, til gødskning af landbrugsmarker via luftsprøjtning.

Forskernes resultater blev offentliggjort i oktober i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Avisens hovedforfatter er Bavand Keshavarz, en kandidatstuderende i laboratoriet hos Gareth McKinley, som er School of Engineering Professor i Teaching Innovation ved MIT og avisens seniorforfatter. Deres medforfattere inkluderer Eric Houze, John Moore, og Michael Koerner fra Axalta Coating Systems, en Philadelphia-baseret producent af maling til erhvervskøretøjer.

En fortykkende ingrediens

Måder, hvorpå væsker fragmenteres, eller brydes op i dråber, har været en fascination i århundreder og et aktivt fagområde i de sidste par årtier. Videnskabsmænd, forsøg på at karakterisere væskefragmentering, har typisk fokuseret på det, der er kendt som newtonske væsker, vand og olie - relativt tynde, homogene væsker, der ikke indeholder nogle fine partikler eller lange molekyler, såsom polymerer, der ville påvirke den måde, sådanne væsker flyder på.

I begyndelsen af ​​2000'erne, videnskabsmænd udledte en simpel ligning til at beskrive, hvordan enhver newtonsk væske opfører sig, når den forstøves, eller sprøjtes i dråber. Indlejret i denne ligning var en enkelt parameter, "n, " som bestemmer, hvor bred eller smal en væskes dråbefordeling kan være. Jo højere værdien af ​​"n, " jo smallere er den endelige størrelsesfordeling.

Men når denne værdi er relativt stor, ligningen formår ikke at beskrive den bredere fordeling af dråbestørrelser observeret for mere viskoelastiske, ikke-newtonske væsker såsom spyt, blod, maling, og harpikser. Keshavarz og McKinley havde mistanke om, at en ikke-newtonsk væskes klæbrighed, eller viskoelasticitet, kan have noget at gøre med misforholdet.

"Det, vi ønskede at tilføje til litteraturen, var, hvordan viskoelasticitet kan ændre denne parameter n, som er den vigtigste parameter, fordi den dikterer, hvor mange dråber af en bestemt størrelse en væske kan producere, sammenlignet med den gennemsnitlige dråbestørrelse, " siger Keshavarz. "Nu for første gang for en række forskellige væsker, vi var i stand til at kvantificere det."

"Frosset i tid"

For at gøre det, Keshavarz og McKinley opstillede flere eksperimenter for at observere væskefragmentering i både newtonske og ikke-newtonske væsker. De brugte vand og vand-glycerolblandinger som de klassiske newtonske væsker, og skabte ikke-newtonske prøver ved at blande en opløsning af vand-glycerol med varierende mængder af polymerer med forskellige molekylvægte. De eksperimenterede også med adskillige industrielle malinger og harpikser.

Forskerne udsatte hver væskeprøve for tre forskellige forstøvningstest, først at tabe væsker på en flad overflade, derefter sprøjte dem gennem en dyse, og endelig, danne en spray af væsken ved at kollidere med to stråler. Holdet brugte en stroboskoplysteknik, oprindeligt udviklet af MIT's Harold "Doc" Edgerton, at skabe billeder i split-millisekunder af hvert eksperiment.

Holdet observerede næsten 5, 000 dråber for hver væske de testede. Deres billeder viste, at generelt, tyndere, Newtonske væsker producerede et snævrere område af dråbestørrelser, uanset hvilken type eksperiment der udføres, hvorimod de viskoelastiske væsker havde bredere fordelinger, generere større antal af både store og små dråber.

Efterhånden som de blev sprøjtet eller tabt, de viskoelastiske væsker skabte lange ledbånd, eller strenglignende fremspring, der først strakte sig, derefter brød til sidst fra hinanden i dråber.

"Hvert billede får ledbåndene til at se frosne ud i tide, " siger Keshavarz. "På en brøkdel af et millisekund, de går fra hinanden i et begrænset område af dråbestørrelser."

En universel profil

Med henvisning tilbage til den oprindelige ligning, der beskriver fragmenteringen af ​​newtonske væsker, Keshavarz bemærkede, at parameteren "n, "som fastlægger fordelingen af ​​dråbestørrelser, bestemmes også af glatheden af ​​ledbåndene, der i sidste ende fragmenteres til dråber. På billederne af deres eksperimenter, imidlertid, forskerne observerede, at jo mere viskoelastiske væsker producerede ujævnere, flere korrugerede ledbånd. Keshavarz antog, at jo mere klæbrig en væske er, jo mere modstår den at glatte ud, da den danner et ledbånd.

For at teste denne hypotese, han udviklede et nyt eksperiment, kaldet en "step-strain" test, hvori han klemte en væske mellem to plader, trak derefter hurtigt pladerne fra hinanden, trække væsken op og strække den ind i et ledbånd, før den adskilles i dråber. Ved højhastighedsbilleddannelse af disse tests, forskerne observerede, at de viskoelastiske væsker udviste ujævne ledbånd, der ligner perler på en snor. Jo mere klæbrig væsken er, jo mere korrugeret blev ledbåndet. Forskerne målte bølgerne og fandt ud af, at forbi en vis klæbrighed, graden af ​​et ledbånds ujævnhed forblev den samme.

Fra deres billeder af viskoelastiske stråler, forskerne målte også den hastighed, hvormed hvert ledbånd blev tyndere, også kendt som væskens afslapningstid. Tilsvarende de fandt ud af, at denne hastighed bliver næsten konstant for viskoelastiske væsker. Holdet udførte nogle beregninger for at passe afslapningstidsmålingerne ind i den oprindelige ligning for væskefragmentering, og fandt ud af, at alle andre variable er kendt, parameteren "n" nåede en minimumsværdi, uanset hvor klæbrig væsken var, svarende til en maksimal bredde i fordelingen af ​​dråbestørrelser.

Med andre ord, forskerne identificerede den bredeste fordeling af dråbestørrelser, som enhver viskoelastisk, ikke-Newtonsk væske kan muligvis udvise, når den sprøjtes.

"Uanset hvilken type eksperiment, eller typen af ​​polymer eller koncentration, vi ser denne universelle fordeling, og det er bredt anvendeligt til en bred vifte af væsker, " siger McKinley.

Ultimativt, han siger, at denne nye forståelse af væskefragmentering kan være nyttig på en række områder, herunder forbrænding, farmaceutiske og landbrugssprays, inkjets, og bilindustrien, hvor producenterne leder efter måder at forhindre "over-spray" og øge effektiviteten af ​​spray-maling.

"Når de sprøjter en bil, de skal tape vinduerne, for uanset hvor forsigtig du er, der er altid noget overspray, som er spildt maling, " siger McKinley. "Også, hvis du sprøjter maling, de største dråber har en tendens til at vise sig som defekter. Det er en af ​​grundene til, at du bekymrer dig om dråbestørrelsesfordeling:Du vil gerne vide, hvor store de største dråber vil være, fordi et godt malerarbejde i slutningen af ​​dagen skal være en perfekt glat finish."