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Drop Impact onto a Wall Wetted by a Thin Film of Another Liquid

Kittel, Hannah Maria (2019):
Drop Impact onto a Wall Wetted by a Thin Film of Another Liquid.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8986],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Drop/wall film interaction is an important process involved in many technical applications, such as fuel injection into the combustion chamber and spray cooling, coating or cleaning. In some cases the liquids of a drop and of a wall film are different. If secondary droplets result from this interaction, these droplets might contain both liquids. In an internal combustion engine this phenomenon could influence the combustion process and emission formation, and could potentially be a reason of pre-ignition events. The outcome of drop impact is influenced by several parameters, such as initial drop diameter, impact velocity, but also the fluid properties of both liquids and even on their miscibility. For technical applications it is necessary to know the different phenomenon involving outcomes such as maximum corona diameter and content of secondary droplets. Due to the large number of influencing parameters if both liquids are different, the process is highly complex and not fully understood yet. In the present study the impact of a single liquid drop onto a thin liquid film of another miscible as well as immiscible fluid is investigated experimentally. The dynamics of drop impact are captured using a high-speed video system. For the investigation of the drop impact dynamics different configurations of the experimental setup are used: for study of the normal and inclined impact, for obtaining of the bottom view on the expanding corona, and for investigation of details of the flow of both liquids using a colour high-speed visualization. Different outcomes resulting from normal drop impact are determined and classified regarding the influencing impact parameters: deposition, corona, splashing and partial rebound. Drop spreading is observed on highly viscous and soft substrates. The maximum spreading diameter on these substrates is determined for different impact conditions. For less viscous wall films, drop impact can lead to the expansion of a corona. The maximum corona diameter is investigated and determined for several fluid combinations. In case of drop impact onto an inclined wall film the impact leads to the expansion of a non-axisymmetric corona. The geometry of the non-axisymmetric expansion is determined and theoretically described. Under certain conditions secondary droplets are formed as result of drop splashing. To predict splashing, splashing thresholds have been determined for wetted and soft substrates separately. Since both fluid properties influence the splashing threshold, new scalings are introduced, which involve the properties of both liquids. It is shown that the well-known K number only determines the splashing threshold of the viscosity of the film if it is much larger or much smaller than the drop viscosity. For comparable viscosities of drop and wall film, a critical modified K number is introduced, which is a function of the viscosity ratio. Finally, the modified K number is used to predict splashing for typical engine conditions, since splashing is considered as one of the effects triggering pre-ignition in the engine. A further phenomenon, which is observed at some conditions, is corona detachment. In this case the corona detaches from the corona base leading to a secondary atomisation. This phenomenon is investigated and the range of parameters, for which corona detachment can be observed, is determined. Finally, it is not only important to be able to predict whether splashing will occur or not, but also to know the content of multicomponent corona and secondary droplets, when the liquids of drop and wall film are different. To distinguish flows of different liquids, the drop is dyed and a colour high-speed visualization of impact is implemented. A calibration method is introduced and described, which allows the determination of the content ratio of both liquids in case of an immiscible droplet-in-droplet configuration. The distribution of both liquids in the corona and secondary droplets is determined. It is shown that the content of the secondary droplets is dependent on the wall film viscosity. It is demonstrated that the introduced method is applicable for future parametric studies of multicomponent droplets.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Kittel, Hannah Maria
Title: Drop Impact onto a Wall Wetted by a Thin Film of Another Liquid
Language: English
Abstract:

Drop/wall film interaction is an important process involved in many technical applications, such as fuel injection into the combustion chamber and spray cooling, coating or cleaning. In some cases the liquids of a drop and of a wall film are different. If secondary droplets result from this interaction, these droplets might contain both liquids. In an internal combustion engine this phenomenon could influence the combustion process and emission formation, and could potentially be a reason of pre-ignition events. The outcome of drop impact is influenced by several parameters, such as initial drop diameter, impact velocity, but also the fluid properties of both liquids and even on their miscibility. For technical applications it is necessary to know the different phenomenon involving outcomes such as maximum corona diameter and content of secondary droplets. Due to the large number of influencing parameters if both liquids are different, the process is highly complex and not fully understood yet. In the present study the impact of a single liquid drop onto a thin liquid film of another miscible as well as immiscible fluid is investigated experimentally. The dynamics of drop impact are captured using a high-speed video system. For the investigation of the drop impact dynamics different configurations of the experimental setup are used: for study of the normal and inclined impact, for obtaining of the bottom view on the expanding corona, and for investigation of details of the flow of both liquids using a colour high-speed visualization. Different outcomes resulting from normal drop impact are determined and classified regarding the influencing impact parameters: deposition, corona, splashing and partial rebound. Drop spreading is observed on highly viscous and soft substrates. The maximum spreading diameter on these substrates is determined for different impact conditions. For less viscous wall films, drop impact can lead to the expansion of a corona. The maximum corona diameter is investigated and determined for several fluid combinations. In case of drop impact onto an inclined wall film the impact leads to the expansion of a non-axisymmetric corona. The geometry of the non-axisymmetric expansion is determined and theoretically described. Under certain conditions secondary droplets are formed as result of drop splashing. To predict splashing, splashing thresholds have been determined for wetted and soft substrates separately. Since both fluid properties influence the splashing threshold, new scalings are introduced, which involve the properties of both liquids. It is shown that the well-known K number only determines the splashing threshold of the viscosity of the film if it is much larger or much smaller than the drop viscosity. For comparable viscosities of drop and wall film, a critical modified K number is introduced, which is a function of the viscosity ratio. Finally, the modified K number is used to predict splashing for typical engine conditions, since splashing is considered as one of the effects triggering pre-ignition in the engine. A further phenomenon, which is observed at some conditions, is corona detachment. In this case the corona detaches from the corona base leading to a secondary atomisation. This phenomenon is investigated and the range of parameters, for which corona detachment can be observed, is determined. Finally, it is not only important to be able to predict whether splashing will occur or not, but also to know the content of multicomponent corona and secondary droplets, when the liquids of drop and wall film are different. To distinguish flows of different liquids, the drop is dyed and a colour high-speed visualization of impact is implemented. A calibration method is introduced and described, which allows the determination of the content ratio of both liquids in case of an immiscible droplet-in-droplet configuration. The distribution of both liquids in the corona and secondary droplets is determined. It is shown that the content of the secondary droplets is dependent on the wall film viscosity. It is demonstrated that the introduced method is applicable for future parametric studies of multicomponent droplets.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Dynamics of drops and sprays
Date Deposited: 03 Nov 2019 20:57
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8986
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-89860
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Roisman, Apl. Prof. Ilia V. and Marengo, Prof. Dr. Marco
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 June 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Die Tropfen- und Wandfilminteraktion ist ein wichtiger Prozess in etlichen technischen Anwendungen, wie der Kraftstoffeinspritzung in die Verbrennungskammer, der Sprühkühlung, der -beschichtung oder -reinigung. In manchen Fällen sind die Flüssigkeiten von Tropfen und Wandfilm unterschiedlich. Kommt es zur Bildung von Sekundärtropfen, können diese Tropfen beide Flüssigkeiten enthalten. Auftreten von Sekundärtropfen in modernen Verbrennungskraftmaschinen kann den Verbrennungsprozess und die Schadstoffbildung signifikant beeinflussen. Des Weiteren kann Splashing Vorentflammung im Motor begünstigen. Das Resultat des Tropfenaufpralls wird von vielen Parametern beeinflusst, wie vom Tropfendurchmesser oder der Aufprallgeschwindigkeit, aber auch von den Flüssigkeitseigenschaften beider Flüssigkeiten, wie Viskosität oder Oberflächenspannung. Das Verständnis der unterschiedlichen Phänomene ist für viele technische Anwendungen unabdingbar. Von besonderem Interesse sind hier beispielsweise der maximale Kronendurchmesser und die Zusammensetzung der Sekundärtropfen. Wenn die Flüssigkeiten unterschiedlich sind, ist der Prozess aufgrund der großen Anzahl an Parametern hochkomplex und nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wird der Aufprall eines einzelnen Tropfens auf einen dünnen Flüssigkeitsfilm einer anderen Flüssigkeit, die miteinander mischbar sein können, experimentell untersucht. Die Dynamik des Tropfenaufpralls wird mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Für die Untersuchung der Tropfenaufpralldynamik werden verschiedene Konfigurationen des Versuchsaufbaus verwendet: für die Untersuchung des normalen und geneigten Tropfenaufpralls, für die Untersuchung der Untenansicht der sich ausbreitenden Corona und für die Untersuchung der Zusammensetzung der Sekundärtropfen mittels einer Farbhochgeschwindigkeitskamera. Verschiedene Resultate des Tropfenaufpralls werden bezüglich der Aufprallbedingungen klassifiziert: Deposition, Coronabildung ohne Splash, Coronabildung mit Splash sowie Partial Rebound. Die Tropfenausbreitung auf hochviskosen und soften Oberflächen, sowie die Bestimmung des Ausbreitungsdurchmessers als Funktion verschiedener Aufprallparameter, ist Grundlage der vorliegenden Studie. Im Falle von weniger viskosen Wandfilmen führt der Tropfenaufprall zur Bildung einer Krone. Der maximale Kronendurchmesser wird untersucht und für verschiedene Flüssigkeitskombinationen bestimmt. Beim Tropfenaufprall auf einen geneigten Wandfilm bildet sich eine unsymmetrische Krone aus. Die Geometrie dieser Kronenausbreitung wird bestimmt und theoretisch beschrieben. Unter bestimmten Bedingungen werden Sekundärtropfen durch Splashing gebildet. Um Splashing vorhersagen zu können, werden Splashinggrenzen für die benetzte und softe Wand bestimmt. Da die Eigenschaften von beiden Flüssigkeiten das Resultat beeinflussen, wird eine neue Skalierung eingeführt, die die Eigenschaften von beiden Flüssigkeiten berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass die bekannte K Zahl lediglich die Splashinggrenze bestimmen kann, wenn entweder die Viskosität des Wandfilms viel größer oder viel kleiner als die des Tropfens ist. Für vergleichbare Viskositäten wird eine modifizierte kritische K Zahl als Funktion des Viskositätsverhältnisses eingeführt. Letztendlich wird die modifizierte K Zahl zur Vorhersage von Splashing im Falle typischer Motorbedingungen verwendet. Ein neues Phänomen wurde unter bestimmten Bedingungen entdeckt: Corona Detachment. In diesem Fall reißt die Krone an ihrer Basis an einem Punkt beginnend ab und schnellt nach oben, bis schließlich die Rim zerstäubt wird. Dieses Phänomen wird untersucht und die Bedingungen, unter denen Corona Detachment beobachtet werden kann, werden bestimmt. Es ist nicht nur wichtig, Splashing vorhersagen zu können, sondern auch die Zusammensetzung von Mehrkomponentensekundärtropfen zu kennen, wenn die Flüssigkeiten unterschiedlich sind. Um die Flüssigkeiten zu unterscheiden, wird der Tropfen eingefärbt und mittels einer Farbhochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Eine Kalibriermethode wird eingeführt und beschrieben, die die Untersuchung der Zusammensetzung im Falle nicht mischbarer Flüssigkeiten erlaubt. Die Verteilung beider Flüssigkeiten in der Kronenwand und in den Sekundärtropfen wird bestimmt. Es zeigt sich, dass die Zusammensetzung von der Viskosität des Wandfilms abhängt. Es wird gezeigt, dass die eingeführte Methode für zukünftige Parameterstudien der Untersuchung Mehrkomponentensekundärtropfen verwendet werden kann.German
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