[論文レビュー] Drop Impact Dynamics of Complex Fluids: A Review

Phalguni Shah, Michelle Driscoll|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2020

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 77被引用数 4

ひとこと要約

本レビューでは、ポリマー系流体および粒子系懸濁液を対象とした複雑流体における落下衝突動態の最近の進展を統合し、非ニュートン流動の性質が、遅れびらき、固化、跳ね返りといった衝突結果にどのように影響を与えるかを強調している。高速撮影、局所応力測定、および構成モデルとの連携によって、極めて高い剪断速度下での体積平均流動特性と局所的流れ行動の橋渡しを図っている。

ABSTRACT

The impact of fluid drops on solid substrates has widespread interest in many industrial coating and spraying applications, such as ink-jet printing and agricultural pesticide sprays. Many of the fluids used in these applications are non-Newtonian, that is they contain particulate or polymeric additives that strongly modify their flow behaviour. While a large body of experimental and theoretical work has been done to understand the impact dynamics of Newtonian fluids, we as a community have much progress to make to understand how these dynamics are modified when the impact fluid has non-Newtonian rheology. In this review, we outline recent experimental, theoretical, and computational advances in the study of impact dynamics of complex fluids on solid surfaces. Here, we provide an overview of this field that is geared towards a multidisciplinary audience. Our discussion is segmented by two principal material constitutions: polymeric fluids and particulate suspensions. Throughout, we highlight promising future directions, as well as ongoing experimental and theoretical challenges in the field.

研究の動機と目的

• 非ニュートン流体の落下衝突動態に関する実験的・理論的・数値的進展を統合すること。
• 体積平均流動特性を超えた、局所的かつ高ひずみ率下の流れを理解するうえでの主な課題を特定すること。
• 現在のデータにおける乖離と機会を強調することで、衝突現象と構成モデルを結びつけること。
• 粒子の形状と基板の不均一性が衝突結果に与える影響を明らかにすること。
• 高速撮影と局所応力測定を組み合わせた体系的・マルチスケール実験を提唱すること。

提案手法

• ポリマー系流体および粒子系懸濁液の落下衝突に関する実験的・理論的・数値的研究の体系的レビュー。
• 最大約1.67×10³ s⁻¹のひずみ率に達するような、飛沫発生、びらき、固化といった一時的動態を捉えるために高速撮影の使用。
• 粒子画像速度計測法（PIV）と局所応力測定を統合し、空間的・時間的に不均一な流れを解明。
• ウェーバー数（We）およびレイノルズ数（Re）の変動に応じた衝突結果の比較を通じて、状態遷移をマッピング。
• 異方的粒子を含む懸濁液における接触線の動態と剪断強化挙動の分析。
• 体積平均流動特性データと自由表面衝突データを統合し、構成モデルの構築および精緻化を支援。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ニュートン流動の性質は、ニュートン流体と比較して、落下液滴のびらき、飛沫発生、跳ね返り挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 粒子の形状とアスペクト比は、特に剪断強化懸濁液において、衝突動態にどのような役割を果たすか？
• RQ3 基板の性質、例えば親水性、粗さ、柔軟性は、複雑流体の衝突結果にどのように影響を与えるか？
• RQ4 衝突過程における局所的応力および速度測定は、複雑流体の構成モデルの構築にどの程度向上をもたらすか？
• RQ5 複雑流体の衝突において、遅れびらきや固化といった現象の背後にある主な物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 複雑流体への落下は、1.67×10³ s⁻¹に近いひずみ率を誘発し、多くの従来のリオメーターの運用限界を超える。
• 非ニュートン流体は、ニュートン流体の落下衝突に見られない、固体化、遅れびらき、跳ね返りといった特異な挙動を示す。
• 粒子体積率が高いため（例：φ = 49%）、衝突時に部分的剪断ジャミングを示し、固体的応答を示すことがある。
• 棒状粒子は、剪断強化の閾値と範囲を顕著に変化させ、特異な衝突挙動を示すパラメータ空間を拡大する。
• 接触線の動態は、粒子系およびポリマー系流体両方の衝突において、びらきや跳ね返り挙動に重要な役割を果たす。
• 高速撮影とPIV、局所応力測定を組み合わせることで、衝突過程における流れの不均一性をマルチスケールで解明可能となる。