[论文解读] Drop Impact Dynamics of Complex Fluids: A Review

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

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 77被引用 4

一句话总结

本综述整合了复杂流体（特别是聚合物流体和颗粒悬浮液）液滴撞击动力学的最新进展，突出非牛顿流变学如何改变撞击结果，如延迟能扩散、固化和弹跳。强调了高速成像、局部应力测量与本构建模之间的协同作用，以弥合宏观流变学与极端剪切速率下局部流动行为之间的鸿沟。

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.

研究动机与目标

• 整合非牛顿液滴撞击动力学在实验、理论和计算方面的进展。
• 识别在宏观流变学之外理解复杂流体中局部、高应变率流动的关键挑战。
• 通过突出当前数据中的差异与机遇，将撞击现象与本构建模联系起来。
• 探讨颗粒形状和基底非均质性在改变撞击结果中的作用。
• 倡导结合高速成像与局部应力测量的系统性、多尺度实验。

提出的方法

• 系统性回顾关于聚合物流体和颗粒悬浮液液滴撞击的实验、理论和计算研究。
• 利用高速成像捕捉瞬态动力学，如飞溅、扩散和固化，应变率最高可达 ~1.67×10³ s⁻¹。
• 整合粒子图像测速法（PIV）与局部应力测量，以解析空间和时间上非均匀的流动。
• 通过比较不同韦伯数（We）和雷诺数（Re）下的撞击结果，绘制状态转变图。
• 分析具有各向异性颗粒的悬浮液中接触线动力学与剪切增稠行为。
• 将宏观流变数据与自由表面撞击数据相结合，以指导并优化本构模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 与牛顿流体相比，非牛顿流变学如何改变液滴撞击的扩散、飞溅和反弹行为？
• RQ2 颗粒形状和长径比在改变撞击动力学中起什么作用，特别是在剪切增稠悬浮液中？
• RQ3 基底特性（如润湿性、粗糙度和柔韧性）如何影响复杂流体撞击的结果？
• RQ4 在撞击过程中，局部应力与速度测量能在多大程度上改善复杂流体的本构建模？
• RQ5 在复杂流体撞击中，延迟扩散和固化等现象背后的主导物理机制是什么？

主要发现

• 复杂流体液滴撞击可产生接近 1.67×10³ s⁻¹ 的应变率，超过许多传统流变仪的运行极限。
• 非牛顿流体表现出独特行为，如固化、延迟能扩散和弹跳——这些现象在牛顿流体撞击中不存在。
• 高颗粒体积分数的悬浮液（如 φ = 49%）在撞击时可能表现出部分剪切阻塞，导致类固体响应。
• 长形颗粒显著改变剪切增稠的临界点与范围，拓展了奇异撞击结果的参数空间。
• 接触线动力学在颗粒与聚合物流体撞击中均起关键作用，影响扩散与反弹行为。
• 结合高速成像、PIV 与局部应力测量，可实现撞击过程中流动非均性的多尺度解析。