Ny teori beskriver forviklinger af en sprøjtende dråbe

Som et enkelt regndråbe falder til jorden, det kan sprøjte tilbage i et kronlignende ark, sprøjte mindre dråber fra kanten, før den synker tilbage til overfladen - alt i et øjeblik.

Nu har forskere på MIT fundet en måde at spore tykkelsen af ​​en dråbes rand, da den sprøjter op fra en række forskellige overflader. Denne utroligt specifikke måling, de siger, er nøglen til at forudsige antallet, størrelse, og hastigheden på mindre dråber, der kan skubbes ud fra fælgen, i luften.

Lydia Bourouiba, adjunkt i civil- og miljøteknik og direktør for Fluid Dynamics of Disease Transmission Laboratory ved MIT, siger, at gruppens resultater kan bruges til at modellere sprayens fysik, såsom pesticider, der sprøjter tilbage fra afgrødeblade, eller regndråber, der kan opfange og sprede sygdomme, når de hopper af forurenede overflader.

"Vores grundlæggende undersøgelse har til formål at forstå sprayfysik, og identificere de vigtigste ingredienser, der kontrollerer spray, om man ønsker at minimere sekundære dråber, der er uønskede, eller forbedre spray til homogent belægning af en overflade, "Siger Bourouiba." For at gøre alt det, man skal vide, hvordan væsken bryder op. "

Bourouiba og hendes studerende har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Hendes medforfattere er kandidatstuderende Yongji Wang, Raj Dandekar, Nicole Bustos, og Stephane Poulain.

Skubber fremad

I de sidste år har Bourouibas gruppe har udviklet billedanalysealgoritmer til automatisk at udtrække og måle bestemte funktioner i højhastighedsvideoer af væskeopbrydningsprocesser. Topmoderne højhastighedskameraer kan for det meste fange, i slowmotion, udviklingen af ​​en sprøjtedråbe - en proces, der tager omkring flere millisekunder, i hvilket tidsrum, tusinder af mindre dråber kan blive skubbet ud i luften.

Forskere har brugt sådanne højhastighedsvideoer til at måle størrelsen på udkastede dråber, tykkelsen af ​​den ekspanderende kant, og andre stænkfunktioner, stort set i hånden.

"Fordi alle disse funktioner ændres konstant over en kort periode, udtræk af høj nøjagtighed, upartiske målinger i dataene er ret vanskelige, "Siger Bourouiba." Klassiske algoritmer kan ikke fange alle disse detaljer. "

I modsætning, hendes teams algoritmer kan automatisk skelne en sprøjtende dråbes rand og skelne den fra de mindre dråber, der sprøjter ud fra kanten, og ledbåndene, der dannes omkring fælgen. Når algoritmerne har behandlet billeddata, forskerne kan tydeligt adskille fælgen fra resten af ​​dråbeegenskaberne, og udtrække dens størrelse, på ethvert tidspunkt under sprøjtningsprocessen.

Teamet oprettede flere eksperimenter for at se, om de kunne opdage en fælles tendens i måden, hvorpå en dråbes rand udvikler sig, når den sprøjter på en overflade. Forskerne testede omkring 15 væsker med varierende viskositet og viskoelasticitet, eller snorlighed. De frigav enkelte dråber af hver væske fra et højpræcisions "faldtårn, "en opsætning, der kan manipulere meget præcist størrelsen på den frigivne dråbe, overfladens orientering nedenunder, og lysforholdene til optagelse af dråben ved hjælp af højhastighedskameraer.

Holdet frigav hver dråbe på forskellige overflader, herunder en pool af vand, kanten af ​​en overflade, overflader med forskellige ruheder, overflader belagt med en tynd flydende film, og små overflader af samme størrelse som faldet, nemlig stænger.

Efter at de havde finjusteret algoritmerne til automatisk at analysere hver dråbe video, de begyndte at lægge mærke til et mønster i måden en dråbes rand udviklede sig over tid. Fælgen er typisk ikke glat, men viser krusninger og buler. Forskerne viste, at den øjeblikkelige generering af disse krusninger langs fælgen er uafhængig af acceleration og i stedet primært bestemmes af kantens geometri. Imidlertid, felgens tykkelse er relateret til accelerationen af ​​fælgen, når den ekspanderer i luften. Jo større fælgacceleration, jo tyndere fælgen, og de mere hurtigt bevægelige dråber løsnes, når de udvider sig.

Med andre ord, det er fælgenes acceleration, der bestemmer, hvor meget væske der er tilbage i fælgen, og hvor meget væske der skubbes ud af fælgen til luften, i sidste ende i form af dråber.

"Det er som når man er i en bil, der pludselig bremser, "Bourouiba siger." Bremsningen af ​​bilens referenceramme introducerer en fiktiv kraft, der skubber en fremad. Det er det samme, som et væskemængde føles, når hele arket aftager. "

En vigtig indsigt, forskerne havde, er, at ændringen i acceleration over tid har betydning. Hvis en krusning vokser mere end sine naboer til at blive en bule, den øjeblikkelige virtuelle kraft det føles givet den øjeblikkelige deceleration ender med at skubbe den mere frem end sine naboer, hvilket resulterer i dets forlængelse og ultimative løsrivelse i form af en dråbe.

Etablering af en obligation

Fra deres eksperimentelle observationer, holdet udarbejdede en simpel ligning til at forudsige tykkelsen af ​​en dråbes rand givet dens acceleration, på ethvert tidspunkt langs fælgen og når som helst under stænkprocessen. Ligningen er baseret på det, der er kendt som et Bond -nummer - et ikke -dimensionelt tal, der typisk bruges til at sammenligne tyngdekræfter med inertialkræfter.

"Hvis dette tal er meget stort, tyngdekraften dominerer, såsom for en stor vandpyt, der flader, fordi tyngdekraften trækker den ned, "Siger Bourouiba." For en lille dråbe, det er ikke fladt, men sfærisk, fordi overfladespænding dominerer. Hvis Obligationsnummeret er lig med 1, de to kræfter er i balance. "

Med deres nye ligning, forskerne byttede tyngdekraften ud for øjeblikkelig acceleration af fælge, og brugte ligningen til at beregne Obligationsnummeret - i det væsentlige forholdet mellem felgens accelerationsinducerede kræfter og overfladespænding - på ethvert tidspunkt langs dens kant hver gang. Jo højere obligationstal, jo mere acceleration dominerer på et givet tidspunkt langs fælgen, og jo mere sandsynligt er det, at stedet vil bryde op og frigive en mindre dråbe i luften. Jo mindre obligationstal, jo mere overfladespænding dominerer og virker for at holde fælgen intakt.

Holdet fandt ud af, at for ustabile fælge, Obligationsnummeret, som de definerede det, forbliver lig med en hele tiden, hvilket fører til en meget forenklet teoretisk model af fælgtykkelsen, på trods af kompleksiteten i denne proces, der ændrer sig konstant i tid.

Teamet fandt, at teorien holder sig på tværs af en række viskositeter, herunder væsker så tynde som vand, og så tyk som plasma eller mælk. Det kan også forudsige, hvordan fælgen udvikler sig, efterhånden som en dråbe sprøjtes på forskellige overflader, med forskellige geometrier.

"Teorien er ikke kun universel på tværs af [overflade] konfigurationer, men kan fortsat holde for en stor familie af industrielle og biologiske væsker, for eksempel, "Siger Bourouiba.

Tidligere har videnskabsfolk havde kun været i stand til at udtænke en teori til at forudsige en fælg tykkelse i "stabile" konfigurationer, såsom en kontinuerlig vandstrøm, der strømmer fra en vandhane med en konstant hastighed. En sådan situation anses for at være stabil, da det ville producere et stykke vand, der sprøjtede op fra overfladen, med en fælgstørrelse og andre egenskaber, der ikke ville ændre sig over tid.

"Men alle virkninger af dråber, fra regndråber, dekontaminering eller sprøjtning med pesticider, eller andre fragmenteringsprocesser såsom nys, er faktisk ustabile, et aspekt af problemet, der ikke er blevet behandlet i tidligere arbejde, "Bourouiba siger." Vi viste, at denne nye teori gælder for en bred klasse af problemer, der er ustabile. "

"De små dråber, der udsendes, kan transportere meget langt væk fra det sted, hvor påvirkningen finder sted, for eksempel, bakterier, eller andre typer organismer eller molekyler, "siger Jose Manuel Gordillo, professor i væskemekanik ved universitetet i Sevilla i Spanien. "Jeg tror, ​​at disse fund ikke kun vil hjælpe med den grundlæggende forståelse af ustabil fragmentering af fælge i naturlig proces, men også i applikationer relateret, for eksempel, med tryk. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.