Blødt og sfærisk:Forskere studerer dynamikken ved faldpåvirkning

For det meste, Forskere i væskedynamik har fokuseret bestræbelser på at forstå detaljerne ved at slå dråber på flade stive overflader; virkningen af ​​buede, konvekse eller eftergivende overflader på dynamikken af ​​stødende dråber er stadig relativt ukendt. Dette er på trods af dets ekstreme relevans for moderne applikationer, såsom 3-D inkjet print og levering af pesticider på blade.

Et team af forskere fra University of Liverpool Laboratory of Technical Physics i Det Forenede Kongerige har nu detaljeret disse effekter ved at undersøge virkningen af ​​vanddråber på sfæriske bløde overflader. De præsenterer deres forskning i denne uge i tidsskriftet Fysik af væsker , fra AIP Publishing.

Ved at bruge en polydimethylsiloxan (PDMS) silikone elastomer, forskerne producerede en række konvekse halvkugleformede elastiske substrater. Forskellige sæt eksperimenter blev udført af Liverpool-holdet, at variere påvirkningsparametrene, inklusive diameterforhold, polymerelasticitetsmodul og Weber-tal.

"Vi tog et blødt materiale, en silikone polymer, og vi var i stand til at ændre blødheden eller hårdheden af ​​denne silikone, forbereder det på forskellige måder, " sagde Volfango Bertola, et medlem af forskergruppen.

Holdets analyse fokuserede på de mængder, der karakteriserer morfologien, eller spredning og tilbagetrækning, af stødende dråber, og virkningerne påvirkningsparametrene har på spredning og tilbagetrækning. De brugte billedbehandling til at få et glimt af disse fænomener, og derefter for at måle spredningsvinkelområder, våde kurvelængder og dynamiske kontaktvinkler for vanddråber, der påvirker forskellige polymerer.

En unik billedbehandlingsteknik baseret på en goniometrisk maske gav målinger af den dynamiske kontaktvinkel under stød. Denne nye teknik kræver ikke, at dråbeformen er sfærisk, eller endda at være symmetrisk, og det er det, der gjorde måling af den dynamiske kontaktvinkel mulig.

Forskerne viste, at overfladekrumning øger tilbagetrækningen af ​​det påvirkede dråbe. De fastslog, at dette skyldtes forskellen i energidissipation induceret af overfladekrumningen. Denne dissipation er det, der får dråbetemperaturen til at stige under stødet.

Generelt, anslagsparametrene viste sig at påvirke den dynamiske kontaktvinkel væsentligt under stødet. En kvantitativ vurdering af deformationsenergi viste, at denne energi falder et godt stykke under den viskøse dissipation.

Af de tre undersøgte effektparametre, Weber-tallet blev vist for at skabe den største effekt på den dynamiske kontaktvinkel. I alle undersøgte situationer, en stigning i Weber-anslagets tal blev observeret for systematisk at reducere den dynamiske kontaktvinkel, uanset de andre påvirkningsparameterværdier. Faktisk, Liverpool-holdet fandt, at effekten af ​​diameterforholdet og elasticitetsmodulet på spredning er begrænset.

Anvendelse af en simpel energibesparelsestilgang til at redegøre for energispredningen via deformation af substratet forklarer kun en lille del af de eksperimentelle resultater. Gruppen fastslog, at denne tilgang ikke var tilstrækkelig til at forklare, specifikt, den maksimale spredningslængde. Det her, og andre faktorer, fremkalder nye spørgsmål vedrørende faldpåvirkning på konvekse bløde overflader; imidlertid, processen er godt på vej på grund af disse videnskabsmænd.

"Der er en slags nyt område, der kan udforskes, dette er det første værk, der taler om påvirkninger på bløde sfærer. Dette vil forhåbentlig tilskynde andre til at studere disse mere detaljeret, både eksperimentelt og numerisk, sagde Bertola.