麻省理工学院工程师揭示了溅液滴的复杂性

液滴溅到非常薄杆的尖端上，产生流体边缘，其在膨胀时喷出较小的液滴。由研究人员礼貌

当单个雨滴落到地上时，它可以在冠状床单中备份备份，在沉入到表面之前从其边缘喷射较小的液滴 - 所有都在眨眼间。

现在，MIT的研究人员已经找到了一种方法来追踪液滴轮辋的厚度，因为它从各种表面上溅起。他们说，这种令人难以置信的特定测量是预测可以从轮辋喷射到空气中的较小液滴的数量，尺寸和速度的关键。

莱迪亚Bourouiba，民间环境工程助理教授和麻省理工学院疾病传播实验室的流体动力学主任表示，该集团的结果可用于模拟喷雾物理学，例如从作物叶片或雨滴中备份的杀虫剂这可能会在污染污染的表面反弹时捡起和传播疾病。

“我们的基础调查旨在了解喷雾物理学，并鉴定控制喷雾的关键成分，无论是想要最小化不希望的次级液滴，或改善喷雾以均匀涂层表面，”Bourouiba说。“要做所有那种，人们需要知道流体的破坏。”

Bourouiba和她的学生们在日志物理审查信中发表了他们的结果。她的共同作者是王基王，raj丹德卡，妮可bustos和斯蒂芬·彼岸的研究生。

该团队的新模型可以预测各种场景的液滴不断发展的边缘，包括经典的皇冠溅。

推进

在过去几年中，Bourouiba的集团一直在开发图像分析算法，以自动提取和测量流体分发过程的高速视频中的某些功能。最先进的高速摄像机可以在大多数部分捕获，在慢动作中，溅液滴的演变 - 一个需要大约几毫秒的过程，在此期间，数千个较小的液滴可以被喷射到空气。

科学家使用这种高速视频来测量喷射液滴的尺寸，扩展边缘的厚度和其他飞溅特征，主要用手。

“因为所有这些功能在短时间内不断变化，提取高精度，数据中的无偏见测量非常棘手，”Bourouiba说。“经典算法无法捕获所有这些细节。”

相比之下，她的团队的算法可以自动辨别溅出的液滴的边缘，并将其与从轮辋喷射出来的较小液滴，以及在边缘周围形成的韧带。一旦算法处理了图像数据，研究人员就可以清楚地将边缘与液滴的其余特征分开，并在溅流程期间的任何瞬间提取其尺寸。

测量液滴的边缘可以给科学家了解在溅在叶子等表面上时，可以了解单个液滴如何产生喷雾。

该团队成立了多个实验，看看他们是否可以在液滴的rim溅到表面上发展的方式检测到共同趋势。研究人员测试了大约15个不同粘度和粘弹性的液体，或灵敏度。它们从高精度“落塔”释放了单滴的每种液体，该设置可以非常精确地操纵液滴的尺寸，下面的表面的方向，以及使用高液滴记录液滴的照明条件-高速相机。

该团队将每个液滴释放到不同的表面上，包括水池，表面的边缘，不同粗糙度的表面，涂有薄液体膜的表面，以及滴落的比较大小的小表面，即杆。

麻省理工学院团队将液滴发布到各种表面上，包括在一个非常薄的杆的尖端上，并在单个飞溅过程中捕获的液滴和韧带上飞出边缘。

在它们微调算法后自动分析每个液滴视频，它们开始注意到液滴的RIM随着时间的推移方式的方式。轮辋通常不平滑，但显示涟漪和凸起。研究人员表明，沿轮辋的这些涟漪的瞬时产生与加速度无关，而是由边缘的几何形状决定。然而，由于它在空气中扩展时，轮辋的厚度与边缘的加速有关。RIM加速度越大，较薄的边缘，并且在其扩展时更快的液滴分离。

换句话说，它是RIM的加速度，它决定了轮缘中仍然多大的流体，并且最终以液滴的形式进入空气中的液体进入空气中。

“这就像一个人在一辆突然减速的汽车时，”Bourouiba说。“汽车参考框架的减速引入了一个向前推动一个虚拟的力。与整片减速时的流体体积感觉相同。“

研究人员所拥有的一个关键洞察力是，随着时间的推移，加速的变化。如果涟漪比其邻居变得多于颠簸，所以瞬时减速的瞬时虚拟力最终将其推向超过其邻居，导致其液滴形式的伸长和最终脱离。

建立债券

从他们的实验观察来看，该团队设计了一种简单的等式，以预测液滴边缘的厚度，鉴于其加速，沿着轮辋的任何点以及在飞溅过程中的任何瞬间。该等式基于所谓的键合数 - 一种不统一的数量，通常用于将重力力与惯性力进行比较。

“如果这个数字非常大，重力占主导地位，比如对重力拉下来的大水坑，因为重力将其拉下来，”Bourouiba说。“对于一个小滴，它不是平坦的，而是球形，因为表面张力占主导地位。如果债券号等于1，则两部队平衡。“

通过新的等式，研究人员换了RIM瞬时加速的重力，并使用了等式来计算粘合数 - 基本上，RIM的加速度诱导力和表面张力之间的比率在每次沿其边缘的任何点。键合数越高，沿着边缘的给定点的加速度越多，位置的可能性越可能分解并释放到空气中的较小液滴。键合数越小，表面张力越多，使得保持边缘完好无损。

该团队发现，对于不稳定的轮辋，键合的键合数始终仍然等于一个，导致轮辋厚度的非常简化的理论模型，尽管该过程的复杂性连续变化。

该团队发现该理论在一系列粘度上持有，包括液体与水一样薄，并且与血浆或牛奶一样厚。它还可以预测轮辋作为液滴的发展方式如何溅到各种表面上，具有不同的几何形状。

“该理论不仅普遍存在[表面]配置，而且可以继续持有大家庭的工业和生物流体，例如，”Bourouiba说。

以前，科学家们只能设计一个理论以预测在“稳定”配置中的轮辋的厚度，例如以恒定速率从龙头流动的连续水流。这种情况被认为是稳定的，因为它将产生一片水从表面上溅起，具有沿边缘的尺寸和其他不会随时间变化的特性。

“但是，掉落的所有影响，从雨滴，去污或农药喷洒或其他碎片过程如打喷嚏，事实上是不稳定的，这一问题的一个方面尚未在事先工作中解决，”Bourouiba说。“我们表明，这一新理论持有了一类不稳定的问题。”

“塞维利亚大学塞瓦里大学的流体力学教授Jose Manuel Gordillo说：”发射的微小液滴可以远离发生冲击的地方，例如病原体或其他类型的生物体或分子。“我相信这些发现不仅有助于对自然行程中的轮廓的不稳定分段的基本理解，而且在与印刷有关的应用中，也有助于。”

美国农业部 - 国家粮食和农业学院专业作物研究倡议补助金奖得到了这项研究。

出版物：Y. Wang等，“在不稳定的纸张碎片中的通用轮辋厚度”，物理。rev. lett。，2018; DOI：10.1103 / physrevlett.120.204503