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Analysis of Droplet Impact onto Horizontal and Inclined Surfaces

Autor Sefko Sikalo
en Limba Engleză Paperback – 31 dec 2002
Diese Arbeit untersucht den Aufprall von Einzeltropfen auf horizontale und schräge, trockene und benetzte Wände, Dabei wurden Tropfen aus Wasser (D = 2,7 mm), Isopropanol (D = 1,8 mm und 3,3 mm) und einer Glycerin-Wasser Mischung, Vol. 85% Glycerin, verwendet. Die vier untersuchten Oberflächen unterschieden sich in ihrer charakteristischen Benetzbarkeit (definiert durch den Kontaktwinkel) und waren: poliertes Glas, PVC, Wachs, rauhes Glas. Der Einfluß der Randparameter auf den Tropfenaufprall wurde sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Die Ergebnisse sind in Form unterschiedlicher Tropfen Weberzahlen, im Bereich von 50 bis 1080, dargestellt.Die Kinematik der Kontaktlinie während der Ausbreitung des Tropfens fand dabei besondere Beachtung. Insbesondere die Effekte der Benetzung der Wand durch die Flüssigkeit. Es konnte gezeigt werden, daß die Benetzbarkeit einen starken Einfluß gerade auf den späteren Verlauf der Tropfenausbreitung ausübt. Zur Darstellung der Ergebnisse wird der Verlauf des Ausbreitungsdurchmessers und die Höhe des Scheitelpunktes des Tropfens über der Zeit aufgetragen. Die Daten wurden den Bildern entnommen, die zum einen durch eine hochauflösende CCD Kamera entstanden und zum anderen durch numerische Berechnungen gewonnen wurden.Grundsätzlich kommt es beim Tropfenaufprall entweder zu einem Absetzen oder einem Zerspritzen des Tropfens. Wird der Aufprallwinkel erhöht, kann auf glatten und benetzten Oberflächen ein Zurückprallen des Tropfens erfolgen. Dieses Verhalten kann an rauen Oberflächen nicht beobachtet werden. Ein Wassertropfen kann auf glattem Glas und Wachs sowohl abprallen als auch direkt liegen bleiben. Ein Glycerintropfen prallt ab, teilt sich oder bleibt liegen, je nach Aufprallwinkel. Wenn die Impulskräfte über die Adhäsionskräfte dominieren, teilen sie den Tropfen in zwei Teile. Ein Teil bleibt haften, während der andere seine Bewegung fortsetzt und einen neuen Tropfen bildet. Das Verhältnis der beiden resultierenden Tropfendurchmesser zueinander wird in dieser Arbeit vorgestellt. Der Aufprallwinkel bei dem ein Tropfen von einer glatten Glasobertläche oder einer benetzten Wand abprallt ist als Funktion der normalen Weberzahl dargestellt. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Daten zum Tropfenabprall für Aufprallwinkel 2° bis 45° gezeigt.Aus der Analyse der Oberfläche eines sich nach dem Aufprall auf eine glatte Oberfläche ausbreitenden Tropfens, wurde der Verlauf des dynamischen Kontaktwinkels quantifiziert. Die Ergebnisse werden in Form von Graphen, die den Verlauf des dynamischen Kontaktwinkels in Abhängigkeit von der Zeit darstellen, gezeigt.Ebenso wurde eine numerische Simulation eines Einzeltropfenaufpralls auf eine ebene feste Oberfläche durchgeführt. Die Ausbreitung der Flüssigkeit auf Glas und Wachs wird damit vorhergesagt. Die vielseitige Software COMET , die auf ein finite Volumen Verfahren zur Lösung der dreidimensionalen Navier-Stokes Gleichungen gründet, wurde für die Simulationen benutzt. Die freie Oberfläche wird dabei durch die "Volume of Fluid" (VOF) Methode beschrieben. Die Berechnungen wurden in einem axial symmetrischen festen 2D Gitter durchgefiihrt.Der Vergleich der Oberflächen wurde anhand der Morphologien der deformierten Tropfen durchgefiihrt, die sowohl durch die Kameraaufnahmen als auch die numerischen Berechnungen entstanden. Die numerischen und experimentellen Werte des Ausbreitungsfaktors und der Scheitelhöhe als Funktion der Zeit wurden für die untersuchten Fälle miteinander verglichen. Während der Ausbreitungsphase konnte dabei eine exzellente Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation gefunden werden. Im späteren Verlauf der Ausbreitung und dem Bereich des sich zusammenziehenden Tropfens wurden Abweichungen zwischen den numerisch vorhergesagten und den experimentell gefundenen Werten festgestellt. Diese Unterschiede werden in der Arbeit diskutiert. Aus den Ergebnissen kann geschlossen werden, dass eine ausreichende Genauigkeit erreicht werden kann, wenn der statische Kontaktwinkel als Randbedingung Verwendung findet. Eine weitere Verbesserung benötigt ein zuverlässiges Modell des dynamischen Kontaktwinkels.
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Specificații

ISBN-13: 9783832214661
ISBN-10: 3832214666
Ilustrații: 146 schwarz-weiße Abbildungen
Dimensiuni: 152 x 210 x 12 mm
Greutate: 0.24 kg
Editura: Shaker Verlag