[論文レビュー] Dynamics of capillary coalescence and breakup: quasi-two-dimensional nematic and isotropic droplets

P. V. Dolganov, А. С. Зверев+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2020

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 40被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、ヘレショウセル内の準二次元ネマチックおよび等方性ドロップレットにおいて、従来観察されていなかった共alescenceダイナミクスが明らかになった。初期の共alescence段階では、外側のブリッジ（外側の流体領域を接続するもの）とドロップレットブリッジ（共alescingするドロップレットを接続するもの）が同時に存在する。外側ブリッジは不安定化し、ピンチオフ、鋭い先端領域の形成、最終的に副次的ドロップレットの生成を引き起こす。これは、初めて1つのプロセスで共alescenceと破壊現象を結びつけたものであり、ブリッジ幅の時間依存性に1/4乗法則のスケーリングが観測された。

ABSTRACT

For the first time we observed formation of small satellite droplets from the bridge at droplet coalescence. Investigations were made using a Hele-Shaw cell in the two-phase region at nematic-isotropic phase transition. In previous works on coalescence it was considered that before start of coalescence there exists a bridge between the outer fluid connecting regions on the two sides of the droplets (outer bridge). After start of coalescence a bridge connecting the two droplets appears (droplet bridge) and the outer bridge is broken. For the first time we have shown that there are coalescence processes when after start of coalescence both the droplet bridge and the outer bridge can exist. This cardinally changes the coalescence process. During the first coalescence stage the size of the outer bridge decreases, the size of the droplet bridge increases. During the second stage the outer bridge becomes unstable with pinch-off, formation of pointed end domains, secondary instability, splitting of pointed end domains and formation of satellite droplets. Our work connects two areas of fluid dynamics: coalescence and breakup with formation of satellite droplets.

研究の動機と目的

• ヘレショウセルを用いて、ネマチック-等方性転移領域における二相領域でのドロップレット共alescenceのダイナミクスを調査すること。
• ネマチックドロップレットに存在する配向秩序が共alescenceおよびブリッジの進化に与える影響を検討すること。
• 二重ブリッジ（外側ブリッジとドロップレットブリッジ）を含む、従来観察されていなかった共alescence段階の同定と特徴化すること。
• 通常はジェット破壊と関連するとされる副次的ドロップレットの生成が、共alescence段階でどのように起こるかを調査すること。
• 共alescenceダイナミクスのスケーリング則を確立し、各段階の特徴的な時間スケールを相関させること。

提案手法

• 実験は、厚さが5–50 μmで制御されたヘレショウセルを用い、液体結晶E7を用いて二相領域（56.6–58.8 °C）にアクセスした。
• 光学顕微鏡を用い、クロス・ポーラライザーで400～50 fpsのフレームレートでドロップレット共alescenceを観察し、形状および内部構造のリアルタイム追跡を可能にした。
• ブリッジ幅（W(t)）の時間的変化を測定し、共alescence領域の解析を実施。中間段階では、W(t) ∝ t^{1/4} のべき乗則依存性が観測された。
• ゆっくりと冷却（≤0.1 °C/min）することでネマチックドロップレットの形成と共alescenceを促進し、加熱により等方性ドロップレットの核化を誘発した。
• ブリッジの不安定性および副次的ドロップレットの生成の分析は、高時間分解能のタイムラプス画像とレイリー＝プラウド不安定性理論との比較に基づいた。
• 内部ドロップレット構造（線状、細長い、円形領域など）を追跡し、相挙動および界面エネルギー効果の推定を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準二次元ドロップレットの共alescence中に、外側ブリッジとドロップレットブリッジが同時に存在可能か？
• RQ2 外側ブリッジの不安定化の原因は何か？ そして、それが副次的ドロップレットの生成にどのように寄与するか？
• RQ3 共alescence中のブリッジ幅の時間的ダイナミクスはどのように時間に依存するか？ これにより、背後にある物理的メカニズムに何が示唆されるか？
• RQ4 ネマチックドロップレットの内部構造は、共alescenceプロセスおよびブリッジの進化にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 観察された共alescenceダイナミクスは、古典的な破壊現象（例：レイリー＝プラウド不安定性）と結びつけられるか？

主な発見

• 本研究では、ドロップレット共alescenceの初期段階において、外側ブリッジとドロップレットブリッジが同時に存在することを初めて観察した。これは、通常は1つのブリッジのみが存在するとされる従来のモデルと矛盾する。
• 外側ブリッジは徐々に縮小し、ドロップレットブリッジは成長するため、外側流体の接続から直接的なドロップレット融合への移行が示唆される。
• 外側ブリッジが十分に細くなると、非線形不安定性が発生し、ピンチオフと鋭い先端領域の形成が生じる。
• 二次的不安定性により、鋭い先端領域が分裂し、小さな副次的ドロップレットが生成される。これは、共alescenceにおいて従来観察されていなかった現象である。
• 中間共alescence段階において、ブリッジ幅の時間依存性にW(t) ∝ t^{1/4} のべき乗則スケーリングが測定された。これは、粘性-表面張力バランスと整合的である。
• 観察された破壊プロセスはレイリー＝プラウド不安定性と類似した特徴を示すが、これは事前に存在するフィラメントやジェットではなく、共alescenceの過程で形成されたブリッジ上で発生する。