[论文解读] Dimple drainage before the coalescence of a droplet with a smooth substrate

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

Fluid Dynamics and Heat Transfer被引用 1

一句话总结

本研究利用润滑理论，探究了毫米级液滴与光滑基底之间薄空气膜的排泄动力学，解释了为何当基底为液膜时，排泄速度显著快于固体表面。关键发现是液膜情况下增强了流体动力学耦合，导致聚结时间缩短，从而解决了实验中观察到的膜破裂与液滴聚结时间不一致的问题。

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.

研究动机与目标

• 理解液滴与光滑基底聚结前薄膜排泄机制。
• 解决实验中观察到的固体与液膜基底之间聚结时间差异的问题。
• 分析流体动力学耦合在液膜系统中加速排泄的作用。
• 推导并比较固体与液膜基底润滑方程中的主导项。

提出的方法

• 求解空气膜厚度与基底形变的耦合润滑方程。
• 在不同基底条件（固体与液膜）下，识别润滑方程中的主导项。
• 应用渐近分析，简化薄膜极限下的控制方程。
• 通过评估每种情况下系统的有效粘度与迁移率，比较排泄速率。
• 使用量纲分析，将排泄速度与基底力学性能关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何当基底为液膜而非固体表面时，空气膜排泄速度显著加快？
• RQ2 润滑方程中的哪些物理机制导致了液膜系统中观察到的聚结时间缩短？
• RQ3 液滴与液膜之间的流体动力学耦合如何相比刚性固体基底增强排泄过程？
• RQ4 基底的可移动性与流体性在多大程度上影响毫米级液滴的聚结动力学？

主要发现

• 由于增强了流体动力学耦合，液膜上排泄显著加快，从而降低了膜变薄的阻力。
• 液膜情况下润滑方程的主导项具有比固体情况更低的有效粘度，从而加速排泄。
• 由于液膜能动态响应液滴的接近，液膜基底上的聚结时间更短。
• 分析表明，即使膜厚相似，基底的可移动性在决定排泄速率方面起着关键作用。
• 该模型通过将聚结速度加快与基底流体性增强联系起来，解释了实验中观察到的液膜上更快聚结的现象。