[論文レビュー] Supressed splashing on elastic membranes

Marise V. Gielen, Riëlle de Ruiter+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2017

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、レーザー位相プロファイル計測を用いて膜の変形を測定し、それと飛沫の発生しきい値を関連付けることで、弾性膜が滴の飛沫をどのように抑制するかを実験的に調査している。著者らは、膜の変形ダイナミクスを組み込んだ修正された飛沫発生基準を提案し、弾性エネルギー吸収によるシートの遅れ発射が飛沫しきい値を上昇させることを定量的に示している。モデルと実験データの一致は良好であり、適合パラメータを1つだけ使用している。

ABSTRACT

The dynamics of drop impact on solid surfaces can be changed significantly by tuning the elasticity of the solid. Most prominently, the substrate deformation causes an increase in the splashing threshold as compared to impact onto perfectly rigid surfaces, and can thus lead to splash suppression. Here, we experimentally determine the splashing threshold for impact on thin membranes as a function of the tension in the membrane and its elastic properties. The drop dynamics is correlated to the membrane deformation, which is simultaneously measured using a laser profilometry technique. The experimental results enable us to adapt current models for splashing, showing quantitatively how substrate deformation alters the splashing threshold.

研究の動機と目的

• 膜の弾性率と張力が、衝突する滴の飛沫しきい値に与える影響を特定すること。
• 滴衝突時の膜の変形ダイナミクスを、レーザー位相プロファイル計測を用いてリアルタイムで測定すること。
• 基板の変形に起因するエジェクタシート形成の遅れとして、観察された飛沫抑制を解釈すること。
• 最近のガス抵抗に基づく飛沫発生基準（Riboux & Gordillo, 2014）を、膜の変形時間スケールを組み込むことで修正すること。
• 変動する膜の張力の範囲で、修正モデルを実験データと照合して検証すること。

提案手法

• 13 ± 0.5 µm の厚さの薄い弾性膜をテトラフルオロエチレンフレームに取り付け、制御された速度で滴衝突を実施した。
• 側面からの高速撮影により、滴の衝突ダイナミクスと飛沫挙動を捉えた。
• レーザー位相プロファイル計測により、膜の変形の時間的変化をサブミクロン解像度で測定した。
• 2つの主要な変形指標を抽出した：膜の変形速度（衝突速度に比例）と最大変位（運動量保存則に比例）。
• 膜の張力と衝突速度の関数として飛沫しきい値を決定した。
• Riboux & Gordillo (2014) のモデルにおけるシート発射時間スケールを、シート発射時間と膜の変形時間の和に置き換えることで、修正された飛沫発生基準を導出した。適合パrameter $ c_t $ を導入した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 膜の張力が、衝突する滴の飛沫しきい値にどのように影響するか？
• RQ2 膜の変形ダイナミクスが飛沫抑制に果たす役割は何か？
• RQ3 最近のガス抵抗に基づく飛沫発生基準（Riboux & Gordillo, 2014）は、弾性基板の変形を考慮するために修正可能か？
• RQ4 膜の変形速度と最大変位は、衝突速度および張力とどのようにスケーリングするか？
• RQ5 膜の変形とエジェクタシート形成の遅れとの間の定量的関係は何か？

主な発見

• 膜の張力が小さくなるほど飛沫しきい値が上昇し、やわらかい膜では効果的な飛沫抑制が確認された。
• 膜の変形速度は、飛沫しきい値に達するまで衝突速度の2乗に比例し、飛沫が発生する臨界変形率が存在することを示唆している。
• 最大膜変位は、運動量保存則に基づくスケーリング則でよく記述されており、モデルの物理的整合性が裏付けられた。
• シート発射時間と膜変形時間の両方を組み込んだ修正された飛沫発生基準は、実験データと良好な定量的一致を示し、$ c_t = 0.07 $ を使用した。
• 剛体基板からの測定で得られた臨界飛沫数 $ C hickapprox 0.0093 $ は、弾性膜に対しても有効であり、ガス抵抗に基づくフレームワークの強靭性を示している。
• 直接的なシート発射時間の測定が変形による遮蔽により不可能でも、モデルは膜の弾性率の低下に伴う飛沫しきい値の上昇傾向をうまく捉えている。