[논문 리뷰] Dimple drainage before the coalescence of a droplet with a smooth substrate

Laurent Duchemin, Christophe Josserand|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 26.

Fluid Dynamics and Heat Transfer인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 밀리미터 크기의 방울과 매끄러운 기질 사이의 얇은 공기 필름의 배수 역학을 조사하며, 윤활 이론을 사용하여 기질이 액체 필름일 경우에 비해 고체 표면일 경우보다 배수가 훨씬 빠르게 일어나는 이유를 설명한다. 주요 발견은 액체 필름 케이스에서 향상된 유체역학적 결합이 공기 필름의 두께 감소 저항을 줄여 공기 필름이 더 빨리 붕괴되게 한다는 것이다. 이는 실험적으로 관측된 필름 파손과 방울 융합 간의 모순을 해결한다.

ABSTRACT

Thin liquid or gas films are everywhere in nature, from foams to submillimetric bubbles at a free surface, and their rupture leaves a collection of small drops and bubbles. However, the mechanisms at play responsible for the bursting of these films is still in debate. The present study thus aims at understanding the drainage dynamics of the thin air film squeezed between a millimetric droplet and a smooth solid or a liquid thin film. Solving coupled lubrication equations and analyzing the dominant terms in the solid and liquid-film cases, we explain why the drainage is much faster in the liquid-film case, leading often to a shorter coalescence time, as observed in recent experiments.

연구 동기 및 목표

• 매끄러운 기질과의 융합 전 얇은 필름의 배수 메커니즘을 이해하기 위해.
• 고체 기질과 액체 기질 간에 실험적으로 관측된 융합 시간의 모순을 해결하기 위해.
• 액체 필름 시스템에서 유체역학적 결합이 배수 속도를 어떻게 가속화하는지 분석하기 위해.
• 고체 기질과 액체 기질에 대해 윤활 방정정식의 주요 항을 유도하고 비교하기 위해.

제안 방법

• 공기 필름 두께와 기질 변형을 위한 결합된 윤활 방정식을 해결하기 위해.
• 다른 기질 조건(고체 대 비대칭 액체 필름) 하에서 윤활 방정식의 주요 항을 식별하기 위해.
• 박막 필름 근사에서 제어 방정식을 단순화하기 위해 점근적 분석을 적용하기 위해.
• 각 케이스에서 시스템의 효과적 점성도와 이동도를 평가하여, 필름의 배수 속도를 비교하기 위해.
• 배수 속도를 기판의 기계적 성질과 연결하기 위해 척도 분석을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 기판이 액체 필름일 경우에 공기 필름의 배수가 고체 표면일 경우보다 더 빠를까?
• RQ2 윤활 방정식에 포함된 어떤 물리적 메커니즘이 액체 필름 시스템에서 관측된 더 빠른 융합 시간을 설명하는가?
• RQ3 방울과 액체 필름 사이의 유체역학적 결합은 경질 고체 기판에 비해 배수를 얼마나 더 가속화하는가?
• RQ4 기판의 이동성과 유동성은 밀리미터 크기의 방울 융합 역학에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기판이 액체 필름일 경우, 더 강한 유체역학적 결합으로 인해 필름 두께 감소 저항이 감소하여 필름의 배수가 현저히 빨라진다.
• 액체 필름의 윤활 방정식에서 주요 항은 고체 케이스에 비해 더 낮은 효과적 점성도를 포함하여 필름의 빠른 배수를 가속화한다.
• 액체 기판에서는 방울의 접근에 따라 기판이 동적으로 조정될 수 있기 때문에 융합 시간이 짧아진다.
• 분석 결과, 기판의 이동성이 필름 두께가 유사할 때조차도 필름의 배수 속도에 핵심적인 역할을 한다.
• 모델은 액체 필름 상에서 더 빠른 융합이 기판의 향상된 유동성과 연결되어 있음을 설명하여 실험 관측 결과를 해소한다.