낙하 충격

Drop impact
액체 표면에 부딪히는 방울. 이 경우 방울과 표면은 모두 물이다.

낙하 충격은 액체 방울이 고체나 액체 표면에 부딪힐 때 발생한다.그 결과 발생하는 결과는 가장 일반적으로 기체인 낙하물, 표면, 주변 액체의 특성에 따라 달라진다.null

건조한 고체 표면에서

액체 방울이 건조한 고체 표면에 부딪힐 때, 일반적으로 표면에 퍼진 다음, 충격이 정적인 퇴적 접촉 각도로 인해 일반적으로 퍼질 수 있는 것보다 더 많이 퍼질 수 있을 정도로 강력하면 수축한다.충격의 구체적인 결과는 대부분 낙하 크기, 속도, 표면 장력, 점도, 그리고 낙하와 표면 사이의 접촉각과 표면의 거칠기에 달려 있다.[1]접촉 시간 및 영향 체계와 같은 드롭릿 충격 매개변수는 서로 다른 수동적 및 능동적 방법에 의해 수정 및 제어될 수 있다.[2]null

가능한 결과 요약

  • '기하'는 낙하물이 충격 시 표면에 퍼지고 전체 충격 과정 중에 파단 없이 표면에 부착된 상태로 남아 있을 때 발생한다고 한다.[1]이 결과는 매끄러운 습윤 표면에 작고 저속도의 낙하물이 충격을 나타낸다.
  • '촉매 튀김' 결과는 낙하물이 거친 표면에 부딪힐 때 발생하며, 액체가 바깥쪽 속도가 높을 때 표면에 낙하물이 퍼지는 과정 초기에 접촉선(고체, 가스, 액체가 만나는 곳)에 물방울이 생성되는 것이 특징이다.[1]
  • 표면 장력이 감소하면 액체층이 벽에서 분리될 수 있어 "코로나 튀기"[3]가 발생한다.
코로나는 마른 고체 표면에 튀어 오른다.
  • 습식 표면에서는 수축 과정에서 접촉 각도가 감소해 일부 낙하물이 후퇴하면서 액체가 최대 확산 반지름에서 수축하면서 '추적파단'이 발생할 수 있다.[1]초저공포성 표면에서 수축 낙하물은 모세관 불안정성으로 인해 각각 더 이상 분리될 수 있는 많은 손가락들로 분해될 수 있다.[3]그러한 위성 방울은 확산 단계와 수축 단계 모두에서 충격 강하로부터 분리되는 것이 관찰되었다.[4]
  • "반복" 및 "부분 반발" 결과는 충격 후 강하가 물러날 때 발생할 수 있다.낙하물이 충격 지점까지 후퇴하면서 붕괴되는 낙하물의 운동 에너지는 액체를 위쪽으로 압착시켜 수직 액상 기둥을 형성된다.낙하물이 부분적으로 표면에 머무르다가 상단에서 하나 이상의 낙하물을 발사하는 경우를 부분반발이라고 하는데, 이 상승운동으로 인해 낙하 전체가 고체 표면을 이탈하는 경우를 완전반발이라고 한다.[3]반발과 부분반등의 차이는 표면의 낙하 접촉 각도가 후퇴하여 발생한다.낮은 값의 경우 부분 반동이 발생하는 반면 높은 값의 경우 완전한 반동이 일어난다(충분한 운동 에너지로 강하가 반사된다고 가정).[1]

초저공포성 표면에서

소낙하 변형

초저공포성 표면에서는 액체 방울이 고체 표면에서 튀어 나오는 것이 관찰된다.리차드와 퀘레는 20번 이상 단단한 표면에서 작은 액체 방울이 튕겨져 나와 휴식을 취할 수 있다는 것을 보여주었다.[5]특히 관심사는 강하가 단단한 표면과 접촉한 상태로 유지되는 시간이다.이것은 열전달과 항공기 결빙과 같은 응용에서 중요하다.드롭 사이즈와 접촉 시간 사이에 낮은 웨버 수 충격을 대비한 관계를 찾기 위해 초소 수성 표면에(는 경험 작은 변형), 관성(ρ R/τ 2{\displaystyle \rho R/\tau{2}^})과 모세관 현상(σ/미국의 2{\displaystyle \sigma /R^{2}})사이에 단순한 균형이 될 수 있used,[6]a(우리는<1<)s을 따르s:

여기서 }은는) 낙하 밀도, R은 낙하 반경, }은는) 특성 시간 척도, scale 낙하 표면 장력이다.null

이것은 생산된다.

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접촉 시간은 이 정권에서 속도와는 무관하다.저변형 강하의 최소 접촉 시간(We << 1)은 구형 강하의 최저 발진 주기에 의해 근사치되며,[7] 특성 시간은 약 2.2의 사전 인자를 제공한다.[8]대형변형강하(We > 1)의 경우, 아래와 같이 충격의 역학관계가 다르더라도 유사한 접촉시간을 볼 수 있다.[8]방울을 여러 개의 방울로 쪼개면 접촉 시간이 줄어든다.[8]null

약 214의 베버 번호로 초저공포성 표면에 충격을 주는 물방울의 붕괴.

넓은 간격을 가진 테이퍼형 표면을 만들면 충격 방울은 직관에 반하는 팬케이크 튀김을 나타내는데, 이는 방울이 수축 없이 퍼지는 끝에서 튕겨져 나와 접촉 시간이 최대 80% 단축되는 것이 특징이다.[9]null

현저한 낙하 변형

베버 수가 증가함에 따라 충격 시 낙하 변형도 증가한다.낙하 변형 패턴은 베버 번호에 근거한 구조로 분할할 수 있다.[6]null

  • We< 1에서는 큰 변형이 없다.
  • We는 1의 순서로 낙하물이 상당한 변형을 겪으며, 표면에서 다소 평평하게 된다.
  • 우리 4명이면 물방울 위에 파도가 형성된다.
  • We ~ 18일 때, 위성 낙하물이 낙하물에서 떨어져 나오는데, 이것은 이제 긴 수직 기둥이다.
  • 대형 We(특정 표면 구조에 따라 크기가 달라짐)의 경우, 많은 위성 낙하물이 낙하 확산 및/또는 수축 중에 분리된다.[4]

젖은 단단한 표면 위에

액체 방울이 젖은 고체 표면(표면 거칠기의 높이를 초과하는 얇은 액체 층으로 덮인 표면)에 부딪힐 때, 확산되거나 튀는 현상이 발생한다.[3]속도가 임계치 이하일 경우 위에서 설명한 침적과 유사하게 액체가 표면에 퍼진다.속도가 임계 속도를 초과하면 튀어 충격파가 발생할 수 있다.[10][11]얇은 유체 필름에 튀는 것은 건조한 고체 표면에서 보는 것과 비슷한 코로나의 형태로 발생한다.적절한 조건 하에서 액체 인터페이스를 타격하는 방울은 또한 접촉 시간, 확산 역학 및 회복 계수를 기본 액체 속성과 무관하게 특징으로 하는 초저공포성 같은 튕김을 나타낼 수 있다.[12]null

액체 표면에

액체 방울이 액체 저장소의 표면에 부딪히면, 그것은 떠다니거나 튀거나, 저장소와 결합하거나, 튀어오른다.[13]떠다니는 경우 낙하물이 수초 동안 수면 위로 떠다닌다.액체 표면의 청결은 물방울들이 떠다니는 능력에 매우 중요한 것으로 알려졌다.[14]낙하 튕기는 현상은 변질된 액체 표면에서 발생할 수 있다.[13]만약 그 방울이 그것을 액상 저장고로부터 분리하는 가스의 얇은 막을 파열시킬 수 있다면, 그것은 합쳐질 수 있다.마지막으로, 베버감소 영향이 더 높으면(더 큰 에너지로) 튀는 현상이 발생한다.튀는 정권에서, 부딪치는 낙하물은 유체 표면에 분화구를 만들고, 그 분화구 주위에 왕관을 만든다.게다가, Rayleigh 제트 또는 Worington 제트라고 불리는 중앙 제트기가 분화구 중앙에서 돌출되어 있다.[13][15]충격에너지가 충분히 높으면 제트기가 핀으로 고정되는 지점까지 상승해 하나 이상의 물방울을 표면 위로 보낸다.null

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d e 리오부, 로맹, 카메론 트로피아, 마르코 마렝고."고체 표면에 대한 낙하 충격에서 벗어남."분무 및 분무 11.2(2001)
  2. ^ Biroun, Mehdi H.; Li, Jie; Tao, Ran; Rahmati, Mohammad; McHale, Glen; Dong, Linxi; Jangi, Mehdi; Torun, Hamdi; Fu, YongQing (2020-08-12). "Acoustic Waves for Active Reduction of Contact Time in Droplet Impact". Physical Review Applied. 14 (2): 024029. Bibcode:2020PhRvP..14b4029B. doi:10.1103/PhysRevApplied.14.024029.
  3. ^ a b c d 야린, A. L. "드롭 임팩트 다이내믹스: 튀고, 퍼지고, 물러나고, 튕기고…."안누. 플루이드 메치 38번(2006년): 159-192
  4. ^ a b 차이, 페이춘 등"소형 및 나노구조 초저공포성 표면에 대한 낙하 충격"Langmuir 25.20 (2009): 12293-12298
  5. ^ 리차드, D, D.퀘레. "발언 물방울" EPL 50.6(2000): 769
  6. ^ a b 리처드, 데니스, 크리스토프 클랜셋, 데이비드 퀘레."표면현상: 튕기는 낙하물 접촉시간."자연 417.6891(2002년): 811-811
  7. ^ 레일리, 주님."제트의 모세관 현상에 대해서."런던 왕립 협회 29.196-199 (1879년) : 71-97년
  8. ^ a b c 버드, 제임스 C 등"바운싱 드롭의 접촉시간 단축"네이처 503.7476(2013): 385-388
  9. ^ 야후아 류, 리사 모에비우스, 신펑 쉬, 티정첸, 줄리아 엠 여만스, 주앙카이 왕. "초저공포증 표면에서 튀는 팬케이크"자연물리학, 10, 515-519(2014)
  10. ^ Fujisawa, K.; Yamagata, T.; Fujisawa, N. (2018). "Damping effect on impact pressure from liquid droplet impingement on wet wall". Annals of Nuclear Energy. 121: 260–268. doi:10.1016/j.anucene.2018.07.008.
  11. ^ Haller, K. K.; Ventikos, Y.; Poulikakos, D.; Monkewitz, P. (September 2002). "Computational study of high-speed liquid droplet impact". Journal of Applied Physics. 92 (5): 2821–2828. Bibcode:2002JAP....92.2821H. doi:10.1063/1.1495533. ISSN 0021-8979.
  12. ^ 총레이 하오, 징리, 위안 류, 샤오펑 저우, 야후아 류, 룽 류, 루펑 체, 원중 저우, 동선, 로렌스 리, 레이 쉬, 주앙카이 왕."미끄러운 액체 인터페이스에서 튕기는 초저공포성 튜닝 드롭릿."네이처 커뮤니케이션즈, doi: 10.1038/ncomms8986
  13. ^ a b c 라인, 마틴."고체 및 액체 표면에 대한 액체 낙하 충격"유체역학 연구 12.2(1993): 61-93
  14. ^ 레이놀즈, 오스본"표면의 순도에 따라서만 물 표면에 물방울이 떠 있는 위에."프로크. 맨체스터 리트.필. Soc 21.1 (1881년)
  15. ^ Jamali, M.; Rostamijavanani, A.; Nouri, N. M.; Navidbakhsh, M. (2020-09-01). "An experimental study of cavity and Worthington jet formations caused by a falling sphere into an oil film on water". Applied Ocean Research. 102: 102319. doi:10.1016/j.apor.2020.102319. ISSN 0141-1187.