Park, Hong-Bok;Yoon, Sam S.;Jepsen Richard A.;Heister Stephen D.
한국분무공학회지
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제11권2호
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pp.89-97
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2006
An inviscid axisymmetric model capable of predicting droplet bouncing and the detailed pre-impact motion, influenced by the ambient pressure, has been developed using boundary element method (BEM). Because most droplet impact simulations of previous studies assumed that a droplet was already in contact with the impacting substrate at the simulation start, the previous simulations could not accurately describe the effect of the gas compressed between a failing droplet and the impacting substrate. To properly account for the surrounding gas effect, an effect is made to release a droplet from a certain height. High gas pressures are computationally observed in the region between the droplet and the impact surface at instances just prior to impact. The current simulation shows that the droplet retains its spherical shape when the surface tension energy is dominant over the dissipative energy. When increasing the Weber number, the droplet surface structure is highly deformed due to the appearance of the capillary waves and, consequently, a pyramidal surface structure is formed; this phenomenon was verified with our experiment. Parametric studies using our model include the pre-impact behavior which varies as a function of the Weber number and the surrounding gas pressure.
The present study conducts experimental investigation on spreading and deposition characteristics of a $4.3{\mu}l$ de-ionized (DI) water droplet impacting upon aluminum (Al 6061) flat and textured surfaces. The micro-textured surface consisted the micro-hole arrays (hole diameter: $125{\mu}m$, hole depth: $125{\mu}m$) fabricated by the conventional micro-computer numerical control (${\mu}$-CNC) milling machine process. We examined the surface effect of texture area fraction ${\varphi}_s$ ranging from 0 to 0.57 and impact velocity of droplet ranging from 0.40 m/s to 1.45 m/s on spreading and deposition characteristics from captured images. We used a high-speed camera to capture sequential images for investigate spreading characteristics and the image sensor to capture image of final equilibrium deposition droplet for analyze spreading diameter and contact angle. We found that the deposition droplet on textured surfaces have different wetting states. When the impact velocity is low, the non-wetting state partially exists, whereas over 0.64 m/s of impact velocity, totally wetting state is more prominent due to the increase kinetic energy of impinging droplet.
Wall interactions of direct injection spray were investigated using laser-sheet imaging, shadowgraphy, wetted footprint and phase Doppler interferometry techniques. A narrow-cone high-pressure swirl injector is used to inject iso-octane fuel onto a plate, which has three different impact angles inside a pressurized chamber. Heated air and plate conditions were compared with unheated cases. Injection interval was also varied in the heated case to compare dry- and wet- wall impingement behaviors. High-speed macroscopic Mie-scattering images showed that presence of wall and air temperature has only minor effect on the bulk spray structure and penetration speed for the narrow-cone injector tested. The overall bulk motions of the spray plume and its spatial position at a given time are basically unaffected until a few millimeters before impacting the wall. The surface properties of the impact surface, such as the temperature, the presence of a preexisting liquid film also have a small effect on the amount of wetting or the wetted footprint; however, they have strong influence on what occurs just after impact or after a film is formed. The shadowgraph in particular shows that the plate temperature has a significant effect on vapor phase propagation. Generally, 10-20% faster horizontal vapor phase propagation is observed along the wall at elevated temperature condition. For impingement onto a preexisting film, more splash and evaporation were also observed. Contrary to some preconceptions, there is no significant splashing and droplet rebounding from surfaces that are interposed in the path of the DI gasoline spray, especially for the oblique impact angle cases. There also appears to be a dense spray front consists of large sac spray droplets in the oblique impact angle cases. The bulk of the spray is not impacted on the surface, but rather is deflected by it The microscopic details as depicted by phase Doppler measurements show that the outcome of the droplet impaction events can be significantly influenced. Only droplets at the spray front have high enough Weber numbers for wall impact to wet, splash or rebound. Using the sign of vertical velocity, the time-resolved downward droplets and upward droplets are compared. The Weber number of upward moving droplets, which seldom exceeds unity, also decreases as the impact angle decreases, as the droplets tend to impact less and move along the wall in the deflected spray plume.
In the present work, surface wetting effect on spread-splash regime and transition criterion of the water and ethanol droplets impacting an unheated dry wall has been experimentally investigated. The droplet was directed on a polished STS plate and a glass slide, and the impinging behavior was visualized and recorded using a CCD camera. Droplet diameter and velocity approaching the wall were measured as well. The critical Sommerfeld number representing the spread-splash boundary for the ethanol droplet impinging on the substrates turned out to be smaller compared to that for the water droplet impinging on the substrates with the surface roughness condition remained unchanged. The shift of the transition boundary is considered to be due to the effect of the surface wettability represented by static contact angle and surface tension of droplet.
Mist cooling is widely employed as a cooling technique of high temperature surfaces, and it has heat transfer characteristics similar to boiling heat transfer which has the convection, nucleate and film boiling regions. In the present study, mist cooling heat transfer was experimentally investigated for the mist flow impacting on the heated surfaces of mico-fins. The mist flow was generated by supersonic vibration. Experiments were conducted under the test conditions of droplet flow rate, $Q=6.02{\times}10^{-9}{\sim}3.47{\times}10^{-8}\;m^3/s$ and liquid temperature, $T_f=30{\sim}35^{\circ}C$. From the experimental results, it is found that an increase in the droplet flow rate improves mist cooling heat transfer in the both case of smooth surface and surfaces of micro-fins. Micro-fins surfaces enhance the mist cooling heat transfer. Besides, the experimental results show that an increase in the droplet flow rate decrease the heat transfer efficiency of mist cooling.
Understanding of the impinging behavior of an electrically charged spray is essential in determining appropriate operating conditions for electro-spraying of paints, surface coating materials and insecticides. In the present work, the wall impact behavior of an electrically charged drop has been investigated and compared with that of a neutral drop experimentally. The critical Sommerfeld number representing the spread-splash boundary for the charged drop impacting on the dielectric substrate turned out to be larger compared to that for the neutral drop with the same surface condition. The change of the transition boundary is due to the increase in the surface wettability of the drop on the substrate. However, with the electrically conducting substrates, the charging effect on the transition boundary appeared negligible. This is because the electric discharging time is much shorter than the time required for the flattened drop to reach its maximum extent.
Leidenfrost drops with ellipsoidal shaping can control the bouncing height by adjusting the aspect ratio(AR) of the shape at the moment of impact. In this work, we focus on the effect of the AR and the impact Weber number(We) on the non-axisymmetrical spreading dynamics of the drop, which plays an important role in the control of bouncing. To understand the impact dynamics, the numerical simulation is conducted for the ellipsoidal drop impact upon the perfect non-wetting solid surface by using volume of fluid method, which shows the characteristics of the spreading behavior in each principal axis. As the AR increases, the drop has a high degree of the alignment into one principal axis, which leads to the consequent suppression of bouncing height with shape oscillation. As the We increases, the maximum spreading diameters in the principal axes both increase whereas the contact time on the solid surface rarely depends on the impact velocity at the same AR. The comprehensive understanding of the ellipsoidal drop impact upon non-wetting surface will provide the way to control of drop deposition in applications, such as surface cleaning and spray cooling.
The present study investigated experimentally the spreading characteristics of a single liquid impinging on the inclined micro-textured aluminum (Al 6061) surfaces manufactured by using a micro computerized numerical control (${\mu}$-CNC) milling machine. The textured surfaces were composed of patterned micro-holes (diameter of $125\;{\mu}m$ and depth of $125\;{\mu}m$). In our experiment, the de-ionized (DI) water droplet of $4.3\;{\mu}l$ was impinged normally on the non-textured and textured surfaces at two different Weber numbers, and the droplet impinged on the inclined surfaces with different angles. A high speed camera was used to capture sequential digital images for measurement of the maximum spreading distance. It was found that for the textured surface, the measured apparent equilibrium contact angle (ECA) increased up to $105.8^{\circ}$, higher than the measured ECA of $87.6^{\circ}$ for the non-textured (bare) surface. In addition, it is conjectured that the spreading distance decreased because of a liquid penetration during droplet spreading through the holes, the increase in hydrophobicity, and viscous dissipation during impact process.
고온으로 가열된 고체 표면 위를 타원형 액적이 충돌할 때, 구형 액적 충돌 거동과 다른 비축대칭적인 퍼짐 거동이 발생하여 반동 높이 조절이 가능하다고 보고되었다. 본 연구에서는 타원형 액적 종횡비가 퍼짐 거동에 미치는 영향을 조사하였다. 충돌 거동은 동기화된 두 대의 고속카메라를 이용하여 두 측면에서 관찰하였고, 액적의 장축과 단축에서의 액적 퍼짐 너비를 각각 조사함으로써 퍼짐 특성을 분석하였다. 실험 결과에서 종횡비가 클수록, 액적 단축의 최대 퍼짐 너비는 증가하는 데 반해, 액적 장축의 것은 큰 변화가 없는 것으로 나타나는 데, 이는 수축 과정에서 액적 정렬을 촉진하고 반동 억제에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 추가적으로 액적 종횡비와 충돌 속도가 동시에 큰 영역에서 발생하는 반동 거동과 액적 분열 현상에 대하여 고찰하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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