Pád dopad - Drop impact - Wikipedia

Kapka dopadající na povrch kapaliny; v tomto případě jsou kapka i povrch voda.

Pád dopad nastane, když kapalina pokles zasáhne pevný nebo kapalný povrch. Výsledný výsledek závisí na vlastnostech kapky, povrchu a okolí tekutina, což je nejčastěji a plyn.

Na suchém pevném povrchu

Když kapka kapaliny narazí na suchý pevný povrch, obecně se na povrchu rozšíří a poté se stáhne, pokud je náraz dostatečně energický, aby způsobil, že se kapka rozšíří více, než by se obecně rozšířila v důsledku svého statického ustupujícího kontaktního úhlu. Konkrétní výsledek nárazu závisí hlavně na velikosti kapky, rychlosti, povrchové napětí, viskozita, a také na drsnost povrchu a kontaktní úhel mezi kapkou a povrchem.^[1] Parametry dopadu kapiček, jako je doba kontaktu a režim nárazu, lze upravit a řídit různými pasivními a aktivními metodami.^[2]

Shrnutí možných výsledků

• K „usazování“ dochází, když se kapka při nárazu rozšíří na povrch a zůstane na povrchu připevněn během celého procesu nárazu, aniž by se rozpadl.^[1] Tento výsledek je reprezentativní pro dopad malých, nízko rychlostních poklesů na hladký smáčení povrchy.
• Výsledek „rychlého rozstřiku“ nastane, když kapka narazí na drsný povrch, a je charakterizována vytvářením kapiček na kontaktní lince (kde se setkávají pevné látky, plyny a kapaliny) na začátku procesu šíření kapky na povrchu, když má kapalina vysokou vnější rychlost.^[1]
• Při sníženém povrchovém napětí se může kapalná vrstva oddělit od stěny, což má za následek „stříkání korony“.^[3]

Corona stříkající na suchý pevný povrch.

• Na zvlhčovacím povrchu může nastat „ustupující rozpad“, když se kapalina stáhne ze svého maximálního poloměru šíření, a to v důsledku skutečnosti, že kontaktní úhel se během zatahování zmenší, což způsobí, že ustupující kapka zanechá některé kapky.^[1] Na superhydrofobní povrchů se může stahující kapka rozpadnout na několik prstů, které jsou každý schopné dalšího rozpadu, pravděpodobně kvůli kapilární nestabilitě.^[3] Bylo pozorováno, že takové satelitní kapičky se odtrhávaly od dopadajícího poklesu jak během fáze šíření, tak i zatahování.^[4]
• Výsledky „Odskočit“ a „Částečně odskočit“ mohou nastat, když pokles po nárazu ustoupí. Jak pokles ustupuje do bodu nárazu, Kinetická energie kolabující kapky způsobí, že kapalina se vytlačí nahoru a vytvoří vertikální sloupec kapaliny. Případ, kdy kapka zůstává částečně na povrchu, ale vypustí jednu nebo více kapek na jejím vrcholu, je známý jako částečný odskok, zatímco případ, kdy celá kapka opustí pevný povrch kvůli tomuto pohybu nahoru, je známý jako úplný odskok.^[3] Rozdíl mezi odrazem a částečným odrazem je způsoben ustupujícím kontaktním úhlem pádu na povrchu. U nízkých hodnot dochází k částečnému odrazu, zatímco u vysokých hodnot dochází k úplnému odrazu (za předpokladu, že pokles ustupuje s dostatečnou kinetickou energií).^[1]

Na superhydrofobních površích

Malá deformace kapky

Na superhydrofobních površích jsou pozorovány kapky kapaliny, které se odrážejí od pevného povrchu. Richard a Quéré ukázali, že malá kapka kapaliny se dokázala odrazit od pevného povrchu více než 20krát, než se vydala k odpočinku.^[5] Zvláště zajímavá je doba, po kterou kapka zůstává v kontaktu s pevným povrchem. To je důležité v aplikacích, jako je přenos tepla a námraza letadla. Chcete-li najít vztah mezi velikostí kapky a dobou kontaktu pro nízkou Weberovo číslo dopady (We << 1) na superhydrofobní povrchy (které mají malou deformaci), jednoduchá rovnováha mezi setrvačností (${ displaystyle rho R / tau ^ {2}}$) a kapilarita (${ displaystyle sigma / R ^ {2}}$) může být použito,^[6] jak následuje:

${ displaystyle rho R / tau ^ {2} propto sigma / R ^ {2}}$

kde ${ displaystyle rho}$ je hustota kapky, R je poloměr kapky, ${ displaystyle tau}$ je charakteristická časová stupnice a ${ displaystyle sigma}$ je poklesové povrchové napětí.

To přináší

${ displaystyle tau propto { sqrt { rho / sigma}} R ^ {3/2}}$.

Doba kontaktu je v tomto režimu nezávislá na rychlosti. Minimální doba kontaktu pro malý pokles deformace (We << 1) je aproximována periodou oscilace nejnižšího řádu pro sférický pokles.,^[7] dává charakteristickému času prefaktor přibližně 2,2.^[8] U kapek s velkou deformací (We> 1) jsou vidět podobné kontaktní doby, i když dynamika nárazu je odlišná, jak je popsáno níže.^[8] Pokud je kapička rozdělena na několik kapiček, doba kontaktu se zkrátí.^[8]

Rozpad vodní kapky ovlivňující superhydrofobní povrch při Weberově počtu přibližně 214.

Vytvořením zúžených povrchů s velkými rozestupy bude nárazová kapička vykazovat protiintuitivní palačinkové odskakování, charakterizované odskakováním kapek na konci rozmetání bez zatažení, což povede ke snížení ~ 80% doby kontaktu.^[9]

Výrazná deformace kapky

Jak se zvyšuje Weberovo číslo, zvyšuje se také deformace pádu při nárazu. Vzor deformace pádu lze rozdělit do režimů na základě Weberova čísla.^[6]

• Na We << 1 nedochází k významné deformaci.
• Pro We v řádu 1 dochází k výrazné deformaci kapky a poněkud se zplošťuje na povrchu.
• Když jsme ~ 4, vlny se tvoří na kapce.
• Když We ~ 18, satelitní kapky se odlomí od kapky, což je nyní podlouhlý vertikální sloupec.
• U velkých We (jejichž velikost závisí na konkrétní povrchové struktuře) se mnoho satelitních kapek odtrhne během šíření a / nebo stahování kapky.^[4]

Na mokrém pevném povrchu

Když kapka kapaliny narazí na mokrý pevný povrch (povrch pokrytý tenkou vrstvou kapaliny, který přesahuje drsnost povrchu), dojde buď k šíření, nebo rozstřikování.^[3] Pokud je rychlost pod kritickou hodnotou, kapalina se rozšíří na povrch, podobně jako depozice popsaná výše. Pokud rychlost překročí kritickou rychlost, dojde k rozstřikování a může být generována rázová vlna.^[10][11] Stříkající na tenké tekuté filmy se vyskytuje ve formě koróny, podobně jako u suchých pevných povrchů. Za správných podmínek může kapička dopadající na rozhraní kapaliny také zobrazit superhydrofobní odskakování, charakterizované dobou kontaktu, dynamikou šíření a restitučním koeficientem nezávisle na vlastnostech podkladové kapaliny.^[12]

Na tekutém povrchu

Když kapka kapaliny narazí na povrch nádrže na kapalinu, bude buď plavat, odrážet se, splynout s nádržkou nebo stříkat.^[13] V případě vznášení se na hladině několik sekund vznáší kapka. Čistota povrchu kapaliny je údajně velmi důležitá ve schopnosti kapek plavat.^[14] Na narušených kapalných površích může dojít k odskoku.^[13] Pokud je kapka schopna prasknout tenkou vrstvu plynu oddělující ji od zásobníku kapaliny, může se sloučit. Konečně vyšší Weberovo číslo dopady pádu (s větší energií) způsobují stříkající vodu. Ve stříkajícím režimu vytváří nápadná kapka kráter na povrchu tekutiny, následovaný korunou kolem kráteru. Navíc, centrální tryska, nazvaný Rayleighovo letadlo nebo Worthington jet, vyčnívá ze středu kráteru.^[13] Pokud je energie nárazu dostatečně vysoká, tryska stoupá do bodu, kde se sevře, a vysílá jednu nebo více kapiček nahoru z povrchu.

Viz také

• Splash (mechanika tekutin)

Reference