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Tröpfchenwirkungsforschung

Hochgeschwindigkeitsvideos von viskosen Flüssigkeitströpfchen, die auf viskose Flüssigkeitspools auftreffen.

Im Frühjahr 2021 habe ich die Vorlesung ME3475 oder Strömungsmechanik belegt und mich in das Fach verliebt. Nach Abschluss des Kurses im April 2021 wollte ich mich weiter mit dem Thema beschäftigen und wurde eingeladen, an einem Labor von Professor Xiaoyu Tang an der Northeastern University teilzunehmen, das die Aufprallmechanik von Flüssigkeitströpfchen untersucht.  

Der Aufprall von Tröpfchen auf ein festes Substrat wurde gut untersucht, jedoch ist das Aufprallverhalten auf einem flüssigen Substrat drastisch anders. Für meine Forschung nehme ich Highspeed-Videos von verschiedenen Flüssigkeitströpfchen auf, die auf Pools anderer Flüssigkeiten auftreffen, unterschiedliche Parameter wie Viskosität und Weber-Zahl systematisch variiere und bewerte das Aufprallverhalten wie in den obigen Videos gezeigt.

Das gezeigte unterschiedliche Verhalten kann für verschiedene Anwendungen von Vorteil oder schädlich sein. Wenn Sie also wissen, welche Parameter welches Verhalten vorgeben, können Ingenieure Designs unter Berücksichtigung eines bestimmten Tröpfchenverhaltens erstellen. Ziel der Forschung ist es, Regime-Maps zu erstellen, die das Aufprallverhalten detailliert beschreiben und unsere Ergebnisse durch gründliche Analysen des Aufprallenergieaustauschs zu validieren.  

In jüngster Zeit lag der Schwerpunkt unserer Forschung auf den Auswirkungen von Viskosität und Aufprallgeschwindigkeit auf das Zusammenführen von Flüssigkeitströpfchen in Pools/Schichten verschiedener Flüssigkeiten. In Zukunft planen wir, flüssige Alginattröpfchen zu untersuchen, die auf einen Flüssigkeitspool auftreffen und mit ihm reagieren, um die erzeugten komplexen Geometrien zu bewerten.

Understanding the different behavior shown can have both beneficial and detrimental effects on various applications.

 

To conduct our experiments, I designed our experimental setup which utilizes two high-speed Phantom cameras (one color and one monochrome) and an aluminum extrusion fixture. Droplets are generated using a syringe pump and fall into pools of liquid contained in custom-made square glass reservoirs. By attaching the 8020 fixture to the optical table, we can modify the impact speed by changing the relative distance between the syringe tip and the reservoir surface.

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Highspeed video camera pointed at fluid resevior atop linear stage

Experimental Setup.png

Experimental setup and parameters for droplet on oil layer experiments

Our recent research has focused on the effects of viscosity and impact velocity on the merging of liquid droplets into pools/layers of different liquids. In the future, we plan to investigate the impact and reaction of liquid alginate droplets with a liquid pool to evaluate the complex geometries created.

Regime Map.png

Oil layer experiment regime map (see above video for behavior classification)

By determining the parameters that dictate which behavior occurs, we can enable engineers to design with certain droplet behavior in mind. Our goal is to create regime maps that detail the impact behavior and validate our findings through thorough analyses of the impact energy exchange.

 

To ensure an unbiased and consistent analysis of the video data, we use a Matlab script that leverages the image processing toolbox to extract relevant parameters. Going forward, I will be working on modifying and expanding this script to accommodate new research needs and to improve the efficiency of the video processing pipeline.

Diese Forschung hat eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: ​

  • Verbesserung der Effizienz der Kraftstoffverbrennung in Motoren

  • Verbesserung der Qualität der industriellen Spritzlackierung und des Tintenstrahldrucks

  • Eindämmung der Verbreitung von Viren durch Atemtröpfchen

  • Verstehen des Phänomens der Verschmutzung durch Niederschläge

Während sich unsere Forschung auf viskose Schichten und Alginatreaktionen konzentriert hat, kann mit dem entwickelten experimentellen Aufbau und den Analysewerkzeugen eine unbegrenzte Anzahl von Tropfenaufprallphänomenen untersucht werden.

Here is a poster we created for presentation at Northeastern SOURCE 2021:

SOURCE_2021_XT.jpg
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