In the present work, post impingement behavior of a droplet against porous substrate has been experimentally investigated. The effect of permeability on maximum spreading ratio and spread-splash transition criterion has been examined. The water droplet was directed to the flat surface of porous media made of sintered glass beads. Different permeability could be achieved by choosing different sizes of glass beads. Also, for the comparison purpose, a set of non-permeable substrates were prepared, coated with the glass beads having the same sizes with those of the porous media, respectively, to ensure the same surface roughness. Then the impinging behavior was visualized and recorded using a CCD camera and a high speed camera.
The maximum spreading ratios of a water droplet impinging onto porous substrates turned out to be smaller than those predicted by a model for non-porous substrates.
The critical Sommerfeld number representing the spread-splash boundary for permeable substrates turned out to be larger compared to that for non-permeable ones, and the difference increased with increasing of the permeability. The change of the transition criterion is due to the water penetration into the permeable substrate before being splashed. In the present work, experimental correlations were proposed to predict the ratio of the spread/splash transition criterion between permeable and non-permeable substrates in terms of Darcy number.
본 연구에서는 다공성 재료 표면에 액적 충돌 시 재료 내부로의 침투가 충돌 후 거동 및 거동 영역간의 천이 조건에 미치는 영향을 실험적으로 살펴 보았다.
1. 연속 액적 충돌 시 액적 크기 및 속도가 침투 속도에 미치는 영향
내부에서의 침투 현상과 표면에서의 충돌 현상의 상관 관계를 파악하기 위하여 멜라민 폼에 연속으로 충돌하는 액적을 이용한 기초 실험을 수행하였다. 수직방향으로의 침투 속도는 내부에서의 침투 형상 (반경 방향 퍼짐 및 침투 깊이)에 의해 결정되며, 액적의 크기가 작을수록 반경 방향으로 퍼짐이 감소하여 수직 방향으로의 침투 속도가 증가하였다. 또한, 충돌 속도의 증가에 따라 침투 속도는 증가하다가 소폭 감소하였다. 충돌 속도가 증가하는 경우 수직 방향으로의 침투에 기여하는 운동량이 커지기 때문에 침투 속도가 증가하는 효과가 있지만, 매우 높은 충돌 속도 조건에서는 표면에서 반경방향으로의 액막의 퍼짐이 증가하여 수직방향으로의 침투 체적이 감소할 뿐만 아니라 스플래시 현상에 따른 유량의 손실로 인해 침투 속도가 감소하였다.
2. 투과도가 액막의 최대 퍼짐에 미치는 영향
액적의 침투 정도에 따른 표면에서의 액막의 퍼짐 및 충돌 후 거동 영역의 변화를 살펴보기 위한 일련의 실험을 진행하였다. 다공성 재료로는 소결된 유리 구슬을 사용하였으며, 총 5 가지의 평균 입경의 구슬을 이용하여 투과도를 조절하였다. 비다공성 표면에 충돌하는 액막의 최대 퍼짐 모델과 비교하였을 때, 다공성 표면에 충돌하는 액막의 최대 퍼짐 정도는 전체적으로 작은 결과를 보였으며, 투과도가 증가할수록 차이가 크게 나타났다. 최대 퍼짐을 정확히 예측하기 위해서는 침투를 고려한 새로운 퍼짐 모델이 제시되어야 함을 확인하였다.
3. 스프레드/스플래시 영역간의 천이 조건의 변화
침투의 효과가 스프레드/스플래시 영역간의 천이 조건에 미치는 영향을 파악하기 위하여 표면 조도 조건은 동일하지만 수직 방향으로의 침투가 제한된 대조 기판을 제작하여 두 기판간의 천이 조건을 비교하였다. 투수성 기판과 비투수성 기판의 천이 조건을 좀머펠트 수 (Sommerfeld number, $K$)와 무차원 표면 조도 (non-dimensional surface roughness, $λ_{nd}$)를 축으로 하는 선도에 구성하였다. 스프레드/스플래시 천이 조건을 의미하는 임계 좀머펠트 수 (critical Sommerfeld number, $K_c$)는 투과도가 높은 영역에서 비투수성 기판에 비해 투수성 기판이 큰 값을 가지며, 투과도의 증가에 따라 그 차이는 증가하였다. 두 기판 사이의 임계 좀머펠트 수의 비 $(K_{c,p}/K_{c,np})$ 는 무차원 달시 수 (Darcy number, $Da= k/d_0^2$)가 0 일 때 1에 가까워지며, 달시 수의 로그 값에 비례하여 증가하였다.
