تحلیل تاثیر تغییرات شیب سطح بر روی رشد، حرکت و ادغام قطرات در چگالش قطره ای

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

10.22044/jsfm.2023.11703.3564

چکیده

ادغام و یا چسبندگی قطرات زمانی رخ می دهد که قطرات آب به یکدیگر متصل شده و تشکیل یک قطره منفرد را می دهند. در این مقاله به کمک شبیه سازی عددی، رفتار دینامیکی ادغام دو قطره با اندازه برابر و نابرابر بر روی سطح شیبدار مطالعه شده است. اثر شیب سطح و قطر قطرات بر دینامیک رفتاری پل مایع و خط تماس سه فازی قطره ادغام شده بررسی شده است. در جریان حل، پیوسته شاهد غلبه نیروهای گرانش و کشش سطحی بر جریان سیال می باشیم. نتایج بدست آمده نشان می دهد، که در ادغام قطرات کوچک نوسانات شدید تری در ناحیه پل مایع و جابجایی خط سه فاز، نسبت به قطرات بزرگتر رخ می دهد. در قطرات کوچک با افزایش شیب سطح، نوسانات در جابجایی نقاط ابتدایی و انتهایی خط سه فاز شدت می یابد، که این مساله باعث تضعیف نوسانات فرکانس بالا در ناحیه پل مایع می شود. برای ادغام قطرات بزرگ، جابجایی‌های انتهای جلویی و انتهای عقبی قطره، به طور یکنواخت افزایش می یابد. نتایج حاصل از ادغام قطرات نابرابر نشان می دهد که، سرعت تشکیل پل مایع در این حالت نسبت به ادغام قطرات متقارن بیشتر بوده که منجر به ایجاد نوسانات بیشتر با دامنه نوسانات پایین و فرکانس نوسانی بالا می شود.

کلیدواژه‌ها


[1] B. S. Sikarwar, S. Khandekar, and K. Muralidhar, (2012) “Coalescence of Pendant Droplets on an Inclined Super-hydrophobic Substrate,” no. October, pp. 26–30.
[2] Z. Hu and R. C. Srivastava, (1995) “Evolution of raindrop size distribution by coalescence, breakup, and evaporation: Theory and observations,” J. Atmos. Sci., vol. 52, no. 10, pp. 1761–1783.
[3] M. Gross, I. Steinbach, D. Raabe, and F. Varnik, (2013)“Viscous coalescence of droplets: A lattice Boltzmann study,” Phys. Fluids, vol. 25, no. 5, p. 52101.
[4] محمد پور, لقمان, امینیان, احسان, صفاری, حمید. (1399). بررسی اثر پدیده مارانگونی در چگالش تک قطره بر روی ساختارهای ونزل و کیسی. مجله مکانیک سازه ها و شاره ها398-387:(4)10.
[5] C. ANDRIEU, D. A. BEYSENS, V. S. NIKOLAYEV, and Y.POMEAU, (2002) “Coalescence of sessile drops,” J. Fluid Mech., vol. 453, pp. 427–438.
[6] R. Narhe, D. Beysens, and V. S. Nikolayev,(2004) “Contact line dynamics in drop coalescence and spreading.,” Langmuir, vol. 20, no. 4, pp. 1213–1221, Feb.
 [7] R. Narhe, D. Beysens, and V. S. Nikolayev, (2005) “Dynamics of Drop Coalescence on a Surface: The Role of Initial Conditions and Surface Properties,” Int. J. Thermophys., vol. 26, no. 6, pp. 1743–1757.
[8] R. D. Narhe, D. A. Beysens, and Y. Pomeau,(2008) “Dynamic drying in the early-stage coalescence of droplets sitting on a plate,” EPL., vol. 81, no. 4, p. 46002.
[9] J. Zheng et al., (2016) “Relaxation of liquid bridge after droplets coalescence,” vol. 115115, no. November.
[10] J. J. Thomson and H. F. Newall, (1886) “V. On the formation of vortex rings by drops falling into liquids, and some allied phenomena,” Proc. R. Soc. London, vol. 39, no. 239–241, pp. 417–436.
[11] A. M. Worthington, (1877) “XXVIII. On the forms assumed by drops of liquids falling vertically on a horizontal plate,” Proc. R. Soc. London, vol. 25, no. 171–178, pp. 261–272.
[12] A. M. Worthington, (1883) “On impact with a liquid surface,” Proc. R. Soc. London, vol. 34, no. 220–223, pp. 217–230.
[13] J. Eggers, (1998) “Coalescence of spheres by surface diffusion,” Phys. Rev. Lett., vol. 80, no. 12, p. 2634.
[14] A. Menchaca-Rocha, A. Martínez-Dávalos, R. Nunez, S. Popinet, and S. Zaleski, (2001) “Coalescence of liquid drops by surface tension,” Phys. Rev. E, vol. 63, no. 4, p. 46309.
[15] W. D. Ristenpart, P. M. McCalla, R. V Roy, and H. A. Stone, (2006) “Coalescence of spreading droplets on a wettable substrate,” Phys. Rev. Lett., vol. 97, no. 6, p. 64501.
[16] Q. Liao, S. Xing, and X. Zhu, (2006) “Experimental investigation on coalescence of liquid drops on homogeneous surfaces,” in 9th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, p. 3407.
[17] N. Kapur and P. H. Gaskell, (2007) “Morphology and dynamics of droplet coalescence on a surface,” Phys. Rev. E, vol. 75, no. 5, p. 56315.
[18] F. Blanchette, (2010) “Simulation of mixing within drops due to surface tension variations,” Phys. Rev. Lett., vol. 105, no. 7, p. 74501.
[19] Y.-H. Lai, M.-H. Hsu, and J.-T. Yang, (2010)“Enhanced mixing of droplets during coalescence on a surface with a wettability gradient,” Lab Chip, vol. 10, no. 22, pp. 3149–3156.
[20] M. W. Lee, D. K. Kang, S. S. Yoon, and A. L. Yarin, (2012) “Coalescence of two drops on partially wettable substrates,” Langmuir, vol. 28, no. 8, pp. 3791–3798.
[21] Z. Wang et al., (2018) “Dynamic behaviors of the coalescence between two droplets with different temperatures simulated by the VOF method,” Appl. Therm. Eng., vol. 131, pp. 132–140.
[22] Xing, A. Lei, et al. (2022) "Simulation of coalescence dynamics of droplets on surfaces with different wettabilities." Phys. Fluids 34.7: 072114.
[23] Hiranya Deka, Gautam Biswas, Suman Chakraborty, and Amaresh Dalal , (2019) "Coalescence dynamics of unequal sized drops", Phys.Fluids 31, 012105.
[24] V. Chireux, D. Fabre, F. Risso, and P. Tordjeman, (2015)“Oscillations of a liquid bridge resulting from the coalescence of two droplets,” Phys. Fluids, vol. 27, no. 6, p. 62103.
[25] Lin, Dian-Ji et al. (2020)“Contact Time of Double-Droplet Impacting Superhydrophobic Surfaces with Different Macrotextures.” Processes: n. pag.
[26] I. V Roisman, B. Prunet-Foch, C. Tropea, and M. Vignes-Adler, (2002) “Multiple drop impact onto a dry solid substrate,” J. Colloid Interface Sci., vol. 256, no. 2, pp. 396–410.
[27] R. V Garimella, V. Dyadechko, B. K. Swartz, and M. J. Shashkov, (2005) “Interface reconstruction in multi-fluid, multi-phase flow simulations,” in Proceedings of the 14th International Meshing Roundtable, pp. 19–32.
[28] S. O. Unverdi and G. Tryggvason, (1992) “A front-tracking method for viscous, incompressible, multi-fluid flows,” J. Comput. Phys., vol. 100, no. 1, pp. 25–37.
[29] H. S. Udaykumar, W. Shyy, and M. M. Rao,  (1996) “Elafint: a mixed Eulerian–Lagrangian method for fluid flows with complex and moving boundaries,” Int. J. Numer. methods fluids, vol. 22, no. 8, pp. 691–712.
[30] T. Ye, W. Shyy, and J. N. Chung, (2001) “A fixed-grid, sharp-interface method for bubble dynamics and phase change,” J. Comput. Phys., vol. 174, no. 2, pp. 781–815.
[31] COMSOL, “The CFD Module User’s Guide.” .
[32] Bruno Lafaurie, Carlo Nardone, Ruben Scardovelli, Stéphane Zaleski, Gianluigi Zanetti (1994) "Modelling Merging and Fragmentation in Multiphase Flows with SURFER" J. Comput. Phys., Volume 113, Issue 1 ,Pages 134-147.