落下衝撃
液滴が固体または液体の表面に衝突した結果
液体の表面に衝突する水滴。この場合、水滴と表面は両方とも水です。

流体力学において、液滴衝突は液滴が固体または液体の表面に衝突したときに発生します。その結果は、液滴、表面、そして周囲の流体（通常は気体）の特性に依存します。

乾燥した固体表面上

液滴が乾燥した固体表面に衝突すると、通常は表面上で広がりますが、衝突エネルギーが十分に大きく、静的後退接触角による通常の広がりよりも大きく広がった場合は、後退します。衝突の具体的な結果は、主に液滴のサイズ、速度、表面張力、粘度、そして表面粗さや液滴と表面間の接触角に依存します。 [1]接触時間や衝突様式などの液滴衝突パラメータは、様々な受動的および能動的な方法によって変更および制御できます。[2]

考えられる結果の要約

  • 「沈着」とは、衝突時に液滴が表面上で広がり、衝突プロセス全体を通して分解することなく表面に付着したままでいるときに発生すると言われています。[1]この結果は、小さく低速の液滴が滑らかな濡れた表面に衝突した際に発生する現象の典型です。
  • 「即発的飛沫」は、液滴が粗い表面に衝突したときに発生し、液体が外向きの速度が高いときに、液滴が表面上で広がるプロセスの初期段階で接触線（固体、気体、液体が接触する場所）に液滴が生成されるという特徴があります。[1]
  • 表面張力が低下すると、液体層が壁から離れ、「コロナスプラッシュ」が発生する可能性があります。[3]
乾燥した固体表面へのコロナの飛沫。
  • 濡れた表面では、液体が最大拡散半径から後退するにつれて「後退分裂」が発生することがあります。これは、後退中に接触角が減少するため、後退する液滴によって一部の液滴が取り残されるためです。[1]超疎水性表面では、後退する液滴は複数の指状に分裂し、それぞれが毛細管不安定性によりさらに分裂する可能性があります。[3]このようなサテライト液滴は、拡散段階と後退段階の両方で衝突する液滴から分離することが観察されています。[4]
  • 衝突後に液滴が後退する際に、「反発」と「部分反発」が生じることがあります。液滴が衝突点まで後退するにつれて、崩壊する液滴の運動エネルギーによって液体が上方に押し上げられ、垂直の液柱を形成します。液滴が部分的に表面に留まり、その頂点から1滴または複数の液滴を放出する場合は部分反発と呼ばれ、一方、この上昇運動によって液滴全体が固体表面から離れる場合は完全反発と呼ばれます。[3]反発と部分反発の違いは、液滴の表面における後退接触角によって生じます。接触角が低い場合は部分反発が発生し、高い場合は完全反発が発生します（液滴が十分な運動エネルギーを持って後退すると仮定した場合）。[1]キサンタンなどのポリマーを水に添加すると、水のレオロジー特性が変化し、ニュートン流体 から粘弾性流体へと変化します。その結果、この変化は固体表面から跳ね返る際の液滴の形状に影響を与えます。[5]

超疎水性表面上

小さな滴の変形

超疎水性表面では、液滴が固体表面から跳ね返ることが観察されています。リチャードとケレは、小さな液滴が固体表面から20回以上跳ね返ってから静止することを示しました。[6]特に興味深いのは、液滴が固体表面と接触している時間の長さです。これは、熱伝達や航空機の着氷などの用途で重要です。ウェーバー数の低い（We << 1）超疎水性表面（変形がほとんどない）への衝突における液滴サイズと接触時間の関係を見つけるには、 [7]次のように 、慣性（ ）と毛細管現象（ ）の単純なバランスを使用できます。 ρ R / τ 2 {\displaystyle \rho R/\tau ^{2}} σ / R 2 {\displaystyle \sigma /R^{2}}

ρ R / τ 2 ∝ σ / R 2 {\displaystyle \rho R/\tau ^{2}\propto \sigma /R^{2}}

ここで、 は液滴密度、R は液滴半径、は特性時間スケール、 は液滴の表面張力です。 ρ {\displaystyle \rho } τ {\displaystyle \tau} σ {\displaystyle \sigma }

これにより

τ ∝ ρ / σ R 3 / 2 {\displaystyle \tau \propto {\sqrt {\rho /\sigma }}R^{3/2}} 。

この領域では、接触時間は速度に依存しない。変形の小さい液滴（We << 1）の最小接触時間は、球形液滴の最低次振動周期で近似され、[8]特性時間の前置係数は約2.2となる。[9]変形の大きい液滴（We > 1）の場合、後述するように、衝突のダイナミクスは異なるものの、同様の接触時間が観察される。[9]液滴が複数の液滴に分割されると、接触時間は短縮される。[9]

ウェーバー数約 214 で超疎水性表面に衝突した水滴の分解。

大きな間隔を持つテーパー面を作成することにより、衝突する液滴は直感に反するパンケーキバウンドを示し、液滴が後退することなく広がりの終わりに跳ね返るという特徴があり、その結果、接触時間が約80％短縮されます。[10]

著しい落下変形

ウェーバー数が増加すると、衝突時の液滴の変形も増加する。液滴の変形パターンは、ウェーバー数に基づいて複数の領域に分けることができる。[7]

  • We << 1 では、大きな変形は発生しません。
  • We が 1 のオーダーの場合、滴は大幅に変形し、表面がやや平らになります。
  • We ~ 4 の場合、ドロップ上に波が形成されます。
  • We が 18 になると、サテライト液滴が液滴から分離し、液滴は細長い垂直の柱になります。
  • Weが大きい場合（その大きさは特定の表面構造に依存する）、多くのサテライト液滴は液滴の拡散および/または収縮中に分離する。[4]

濡れた固体表面上

液滴が濡れた固体表面（表面粗さの高さを超える薄い液体層で覆われた表面）に衝突すると、広がりまたは飛散が発生します。[3]速度が臨界値未満の場合、液体は上記の沈着と同様に表面上で広がります。速度が臨界速度を超えると、飛散が発生し、衝撃波が発生する可能性があります。[11] [12]薄い流体膜上での飛散は、乾いた固体表面で見られるものと同様に、コロナの形で発生します。適切な条件下では、液相界面に衝突した液滴は、接触時間、広がりのダイナミクス、および基礎となる液体の特性に依存しない反発係数によって特徴付けられる、超疎水性のような跳ね返りを示すこともあります。[13]

液体表面上

液滴が液体貯留層の表面に衝突すると、浮く、跳ねる、貯留層と合体する、または飛沫となる。[14]浮く場合、液滴は表面で数秒間浮く。液面の清浄度は、液滴が浮く能力に非常に重要であると報告されている。[15]液滴の跳ね返りは、乱れた液体表面で発生することがある。[14]液滴が液体貯留層と自分を隔てる薄いガス膜を破ることができる場合、液滴は合体することができる。最後に、ウェーバー数が高い液滴の衝突（より大きなエネルギー）によって飛沫が発生する。飛沫状態では、衝突した液滴によって流体表面にクレーターが形成され、続いてクレーターの周囲にクラウンが形成される。さらに、レイリー ジェットまたはワージントン ジェットと呼ばれる中央ジェットがクレーターの中心から突き出る。[14] [16]衝突エネルギーが十分に高い場合、ジェットは挟み込まれる点まで上昇し、1 つまたは複数の液滴を表面から上方に打ち出す。

参照

参考文献

  1. ^ abcde Rioboo, Romain, Cameron Tropea, Marco Marengo. 「固体表面への落下衝撃の影響」Atomization and Sprays 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). 「液滴衝突における接触時間の能動的短縮のための音響波」. Physical Review Applied . 14 (2) 024029. Bibcode :2020PhRvP..14b4029B. doi :10.1103/PhysRevApplied.14.024029. S2CID  225429856.
  3. ^ abcd Yarin, AL「液滴衝突ダイナミクス：飛散、拡散、後退、跳ね返り…」Annu. Rev. Fluid Mech. 38 (2006): 159-192
  4. ^ ab Tsai, Peichun, et al. 「マイクロおよびナノ構造の超疎水性表面への落下衝撃」Langmuir 25.20 (2009): 12293-12298
  5. ^ Biroun, Mehdi H.; Haworth, Luke; Abdolnezhad, Hossein; Khosravi, Arash; Agrawal, Prashant; McHale, Glen; Torun, Hamdi; Semprebon, Ciro; Jabbari, Masoud; Fu, Yong-Qing (2023-04-25). 「超疎水性表面における非ニュートン流体液滴の衝突ダイナミクス」. Langmuir . 39 (16): 5793– 5802. doi :10.1021/acs.langmuir.3c00043. ISSN  0743-7463. PMC 10134492. PMID 37041655  . 
  6. ^ リチャード、D.、D.ケレ「跳ねる水滴」EPL 50.6 (2000): 769
  7. ^ ab リチャード、デニス、クリストフ・クラネ、ダヴィッド・ケレ。「表面現象：跳ね返る液滴の接触時間」Nature 417.6891 (2002): 811-811
  8. ^ レイリー卿「ジェットの毛細管現象について」ロンドン王立協会紀要29.196-199 (1879): 71-97
  9. ^ abc Bird, James C., et al. 「跳ね返る液滴の接触時間を短縮する」 Nature 503.7476 (2013): 385-388
  10. ^ Yahua Liu、Lisa Moevius、Xinpeng Xu、Tiezheng Qian、Julia M Yeomans、Zuankai Wang. 「超疎水性の表面で弾むパンケーキ。」ネイチャー物理学、10、515-519 (2014)
  11. ^ 藤澤 功; 山形 剛; 藤澤 暢 (2018). 「濡れた壁面への液滴衝突による衝撃圧に対する減衰効果」Annals of Nuclear Energy . 121 : 260– 268. Bibcode :2018AnNuE.121..260F. doi :10.1016/j.anucene.2018.07.008. S2CID  125953516.
  12. ^ Haller, KK; Ventikos, Y.; Poulikakos, D.; Monkewitz, P. (2002年9月). 「高速液滴衝突の計算的研究」. Journal of Applied Physics . 92 (5): 2821– 2828. Bibcode :2002JAP....92.2821H. doi :10.1063/1.1495533. ISSN  0021-8979.
  13. ^ Chonglei Hao、Jing Li、Yuan Liu、Xiaofeng Zhou、Yahua Liu、Rong Liu、Lufeng Che、Wenzhong Zhou、Dong Sun、Lawrence Li、Lei Xu、Zuankai Wang。 「滑りやすい液体界面で跳ね返る超疎水性のような調整可能な液滴。」 Nature Communications、土井：10.1038/ncomms8986
  14. ^ abc レイン、マーティン. 「固体および液体表面への液滴衝突現象」流体力学研究12.2 (1993): 61-93
  15. ^ レイノルズ、オズボーン。「水面上の水滴の浮遊は表面の純度のみに依存する」マンチェスター文学哲学協会紀要21.1 (1881)
  16. ^ Jamali, M.; Rostamijavanani, A.; Nouri, NM; Navidbakhsh, M. (2020-09-01). 「水面上の油膜への球体落下によって生じるキャビティジェットとワージントンジェットの形成に関する実験的研究」 . Applied Ocean Research . 102 102319. Bibcode :2020AppOR.10202319J. doi :10.1016/j.apor.2020.102319. ISSN  0141-1187. S2CID  225306877.
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