Ny teori beskriver væskedråbsadfærd på faste overflader

Det er lykkedes japanske forskere at udlede en teoretisk formel, der kvantitativt forudsiger befugtnings- og spredningsadfærd for dråber, der kolliderer med den flade overflade af et fast materiale. Selvom opførelsen af ​​dråber, der kolliderer med en fast overflade, ser enkel overfladisk ud, det er faktisk ret kompliceret på grund af indbyrdes forbundne faktorer som overfladeruhed, flydende bevægelse, og befugtning (let væskeadhæsion) af den faste overflade af væsken. I fortiden, forskere fra hele verden har forsøgt at komme med kvantitative forudsigelser om omfanget af befugtede områder gennem eksperimenter, teori og numerisk analyse, men forudsigelse, især ved langsomme kollisioner, endnu ikke er blevet realiseret.

Dråbekollisioner på faste overflader er nøglen til mange industrielle applikationer, som inkjet -printere, brændstofindsprøjtninger og spraykøling. Det maksimale befugtnings- og spredningsområde for dråber efter kollision er en af ​​de vigtigste parametre, der påvirker kvaliteten og effektiviteten af ​​sådant udstyr.

Det maksimale befugtnings- og spredningsområde for en dråbe varierer også afhængigt af dråbens art, den hastighed hvormed dråben rammer, og arten af ​​det faste stof, som det rammer. For eksempel, når en dråbe kolliderer med glas eller teflon, det maksimale befugtnings- og spredningsområde vil være anderledes. Den lethed, hvormed en væske klæber til en overflade, afhænger af overfladens fugtbarhed. Fugtbarheden af ​​dråber, der klæber til en fast overflade, er kendetegnet ved den tangentielle dynamiske ligningsligning (Young -ligningen) ved kontaktlinjen.

I tidligere teoretiske undersøgelser af det maksimale befugtnings- og spredningsområde for kollisionsdråber, kun balanceligningen for kontaktlinjen i tangentialretningen blev overvejet. Der var ingen relationelle udtryk til at forudsige det maksimale befugtnings- og spredningsområde for en dråbe under en lang række påvirkende hastighedsbetingelser. Typisk, to metoder bruges til at foretage beregninger, en når kollisionshastigheder er høje og en anden når hastigheder er lave. Imidlertid, den konventionelle metode, der bruges til højhastighedskollisioner, genererer store fejl ved lave hastigheder, og den konventionelle metode, der bruges til kollisioner med lav hastighed, returnerer store fejl ved høje hastigheder.

For at reducere beregningsfejl, et samarbejde mellem Kumamoto University og Kyoto University forskere fokuseret på normal overfladespænding på kontaktlinjen, og energibalancen for dråber, der kolliderer med faste overflader. Mens du gør det, de overvejede ulemperne ved at bruge konventionelle metoder til at evaluere den viskøse spredning af energi forårsaget af væskebevægelse inde i en dråbe på kollisionstidspunktet, og udledte en ny teoretisk formel.

Denne formel forudsiger kvantitativt det maksimale befugtnings- og spredningsområde, når dråber kolliderer med forskellige typer faste stoffer, såsom silikongummi eller superhydrofobe substrater. Desuden, forskerne bekræftede, at det ikke kun kan anvendes på milli-størrelse, men også på små mikrodråber.

"For nylig, nanoskala fremstillingsteknologi til halvlederunderlag ved hjælp af inkjet -teknologi har tiltrukket megen opmærksomhed, "sagde adjunkt Yukihiro Yonemoto fra Kumamoto University, der leder undersøgelsen. "Observationer af nanoskala fænomener, imidlertid, kræver dyrt eksperimentelt udstyr, og forudsigelse ved numerisk analyse kræver specialiseret teknologi. Ved at bruge en enkel metode til at forudsige det maksimale befugtningsområde for en dråbe efter kollision, vi kan forvente at realisere mere effektive kredsløbsdesigner, blandt andet. "Dråber, der rammer overfladen af ​​et fladt fast materiale, vil ikke kun strække sig og sprede sig, men vil også dele sig i finere dråber (stænkfænomen), hvis energien på tidspunktet for en kollision er stor. Forskere ved Kumamoto University og Kyoto University arbejder i øjeblikket på en teori, der anser disse fænomener for yderligere at udvide resultaterne af deres forskning.

Dette fund blev offentliggjort online i open access journal Videnskabelige rapporter den 24. maj 2017.