[논문 리뷰] Drop Impact Dynamics of Complex Fluids: A Review

Phalguni Shah, Michelle Driscoll|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 18.

Fluid Dynamics and Heat Transfer참고 문헌 77인용 수 4

한 줄 요약

이 리뷰는 고분자 유체와 입자 분산계를 포함한 복잡한 유체의 낙하 충격 역학에서의 최근 발전을 종합하며, 비뉴턴 유변학이 확장 지연, 경화 및 튀김과 같은 충격 결과에 어떻게 영향을 미치는지 강조한다. 고속 영상 촬영, 국소 응력 측정 및 구성 모델링 간의 융합이 극한의 비율에서의 유동 행동과 거시적 유변학을 연결하는 데 중점을 둔다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비뉴턴 낙하 충격 역학 분야에서의 실험적, 이론적, 수치적 진전을 종합하는 것.
• 거시적 유변학을 초월해 국소적 고변형률 유동을 이해하는 데 있어 핵심 과제를 규명하는 것.
• 현재 데이터의 격차와 기회를 부각시켜 충격 현상과 구성 모델링을 연결하는 것.
• 입자 형상과 기질의 이질성이 충격 결과에 어떻게 영향을 미치는지 탐색하는 것.
• 고속 영상 촬영과 국소 응력 측정을 융합한 체계적 다스케일 실험을 촉진하는 것.

제안 방법

• 고분자 유체와 입자 분산계의 낙하 충격에 관한 실험적, 이론적, 수치적 연구를 체계적으로 검토하는 것.
• 최대 약 1.67×10³ s⁻¹의 변형률 속도에 이르는 일시적 역학, 예를 들어 튀림, 확장 및 경화 현상을 촬영하기 위해 고속 영상 촬영을 사용하는 것.
• 공간적·시간적으로 비균일한 유동을 해소하기 위해 입자 이미지 속도 측정(PIV)과 국소 응력 측정을 통합하는 것.
• Weber 수(We)와 레이놀즈 수(Re)의 변화에 따라 충격 결과를 비교하여 제도 전이 영역을 매핑하는 것.
• 이방성 입자를 가진 분산계에서의 접선선 역학과 비선형 점성 증가 행동을 분석하는 것.
• 거시적 유변학 데이터와 자유 표면 충격 데이터를 융합하여 구성 모델을 정보화하고 정밀화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비뉴턴 유변학은 뉴턴 유체와 비교해 낙하하는 방울의 확장, 튀김 및 반동 행동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 입자 형상과 길이 대비 비율은 특히 비선형 점성 증가 분산계에서 충격 역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 기질의 성질, 예를 들어 침윤성, 거칠기 및 탄성도는 복잡한 유체의 충격 결과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 충격 중 국소 응력 및 속도 측정이 복잡한 유체의 구성 모델링 개선에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 복잡한 유체 충격에서 지연된 확장과 경화 현상의 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 복잡한 유체에 대한 낙하 충격은 약 1.67×10³ s⁻¹에 이르는 변형률 속도를 유도하며, 이는 많은 전통적 유변계의 작동 한계를 초과한다.
• 비뉴턴 유체는 뉴턴 유체 낙하 충격에는 없던 고유한 행동, 예를 들어 경화, 지연된 확장 및 튀김을 나타낸다.
• 높은 입자 부피율(예: φ = 49%)을 가진 분산계는 충격 시 부분적인 점성 정체 현상(부분적 점성 잠금)을 보이며, 고체 유사 거동을 나타낸다.
• 기하학적으로 길쭉한 입자는 비선형 점성 증가의 임계점과 범위를 크게 변화시켜 이국적인 충격 결과를 유도할 수 있는 매개변수 공간을 넓힌다.
• 접선선 역학은 입자 유체 및 고분자 유체 충격 모두에서 핵심적인 역할을 하며, 확장 및 반동 행동에 영향을 미친다.
• 고속 영상 촬영과 PIV, 국소 응력 측정을 융합하면 충격 중 유동의 비균일성을 다스케일적으로 해소할 수 있다.