In the present work, impingement regimes and transition criterion of a single liquid droplet impacting on an unheated dry wall has been experimentally investigated. A specific attention was placed on the impinging behavior with electric charging on the drop. The droplet was directed to five different substrates (PDMS-coated plate, Teflon-coated plate, paraffin wax, stainless steel, glass) and the impinging behavior was visualized and recorded using a CCD camera. Droplet diameter and velocity approaching the wall were measured as well.
The current study consists of two parts: Firstly, reconstruction of impingement regime map for an electrically neutral droplet impacting on unheated dry walls and secondly, studies on the change of the transition criteria by electric charging.
To reconstruct the impingement regime map for a neutral droplet, the droplet behavior in the spread and rebound regimes and the transition criterion (between these regimes) have been experimentally investigated. The water droplet bounces off the plate at the higher Weber numbers (and the Reynolds numbers) compared to those for the spread mode, and the surface wettability (represented by static contact angle) was confirmed to be an important factor for occurrence of the rebound phenomenon.
Based on the present experimental data, the Weber numbers (and the Reynolds numbers) representing the spread/rebound transition boundary for an electrically charged droplet turned out to be low compared to those for a neutral droplet when the substrate conditions remain unchanged, and the difference becomes larger with increasing in the charge ratio (defined as the ratio of the actual electric charge to the Rayleigh limit). Such a reduction of transition boundary is due to the increase of the maximum extent of the impinging droplet at the wall by the electrically charging effect. In the present work, theoretical correlations were proposed to predict the maximum extent and spread/rebound transition boundary for an electrically charged droplet.
On the other hand, the critical Sommerfeld number representing the spread/splash boundary for an electrically charged drop impacting on the dielectric substrate turned out to be larger compared to that for a neutral droplet under the same surface roughness condition. The change of the transition boundary is due to the increase in the surface wettability of the drop on the substrate. However, whit the electrically conducting substrates, the charging effect on the transition boundary appeared negligible. This is because the electrical discharging time is much shorter than the time required for the droplet to reach its maximum extent.
본 연구에서는 전기적으로 대전된 액적의 충돌 후 거동 영역 및 영역 간의 천이 조건을 제시하기 위한 일련의 실험과 해석들을 수행하였다. 먼저, 대전된 액적의 거동 영역이 변화하는지 여부 및 경계 조건의 변화 정도를 파악하기 위해 상온의 건조 벽면에 충돌하는 비대전 액적의 거동 영역에 대한 정확한 선도를 구성하였다. 이후 대전된 액적의 충돌 후 거동에 대한 일련의 실험과 해석을 통해 최대 퍼짐율을 예측할 수 있는 최대 스프레드 모델을 유도하였으며, 이를 바탕으로 리바운드와 스프레드 영역 간의 경계 조건을 정량화하는 관계식들을 제안하였다. 마지막으로 액적과 기판의 전기적인 특성이 스프레드와 스플래시 영역 간의 경계 조건에 미치는 영향을 실험적으로 파악하였다. 소수성 기판인 테프론과 파라핀 왁스 평판에 충돌한 액적은 최대 회복 상태(maximum recoil state)에서 평형 상태 (steady state)로 액적이 변형하는 과정에서 스프레드와 리바운드의 거동 영역이 결정되었다. 상온의 건조 평판에서도 리바운드 현상은 발생할 수 있으며, 현상의 발생 유무는 기판의 젖음성(wettability) 특성에 의해 주요하게 결정되었다. 이러한 결과는 Bai 와 Gosman (1995)의 결과 중 리바운드 현상의 발생 조건을 수정하는 내용이다. 본 실험에서 관찰된 부분 리바운드 현상은 액주의 상단 부분이 분열된 후 튀어 오르는 형상을 보이며, 액주의 하단 부분이 평판과 접촉 상태를 유지한다는 점에서 고온 (액적의 Nukiyama 온도 이상)의 벽면 조건에서 관찰되었던 분열을 동반한 리바운드 (rebound with breakup) 현상과 구분된다. 액적의 전기적인 상태에 관계없이 최대 퍼짐율을 모두 예측할 수 있는 최대 스프레드 모델을 제안하였다. 새로운 모델은 충돌 직전 상태와 최대 액막 상태에서의 에너지 평형 관계식을 이용하여 유도하였으며, 최대 액막 상태에서의 액막의 형상은 가시화 결과를 바탕으로 중앙 부분이 완전히 빈 반 원환 형태로 가정하였다. 액적의 하전 효과가 퍼짐율에 미치는 효과를 고려하기 위해 전하량 비 (electric charge ratio)와 표면적 비 (surface area ratio)의 함수로 표현되는 수정된 계면 장력 계수에 대한 식들을 제안하였으며, 이 식들을 이용하여 각 충돌 상태에서의 표면 에너지와 소산 에너지를 정의하였다. 최종적으로 제안된 최대 스프레드 모델은 모델을 통해 예측된 값들은 5% 이내에서 실험 결과와 잘 일치하였다. 초과 리바운드 에너지에 대한 관계식과 최대 스프레드 모델을 이용하여 예측한 천이 조건은 액적의 충돌 후 거동 영역에 대한 실험 결과와 잘 일치하였으며, 현재의 모델은 전기적으로 유전체인 대부분의 소수성 기판에서 유용하게 활용될 수 있다.
