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Transitions of bouncing and coalescence in binary droplet collisions

韦伯数 无量纲量 缩放比例 聚结(物理) 表面张力 材料科学 热力学 机械 介观物理学 物理 雷诺数 凝聚态物理 几何学 数学 天体生物学 湍流
作者
Kuan-Ling Huang,Kuo-Long Pan
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:928 被引量:27
标识
DOI:10.1017/jfm.2021.797
摘要

In droplet impacts, transitions between coalescence and bouncing are determined by complex interplays of multiple mechanisms dominating at various length scales. Here we investigate the mechanisms and governing parameters comprehensively by experiments and scaling analyses, providing a unified framework for understanding and predicting the outcomes when using different fluids. Specifically, while bouncing had not been observed in head-on collisions of water drops under atmospheric conditions, it was found in our experiments to appear on increasing the droplet diameter sufficiently. Contrarily, while bouncing was always observed in head-on impacts of alkane drops, we found it to disappear on decreasing the diameter sufficiently. The variations are related to gas draining dynamics in the inter-droplet film and suggest an easier means for controlling bouncing as compared to alternating the ambient pressure usually sought. The scaling analysis further shows that for a given Weber number, enlarging droplet diameter or fluid viscosities, or lowering surface tension contributes to a larger characteristic minimum thickness of the gas film, thus enhancing bouncing. The key dimensionless group $(O{h_{g,l}},\;O{h_l},\;{A^\ast })$ is identified, referred to as the two-phase Ohnesorge number, the Ohnesorge number of liquid and the Hamaker constant, respectively. Our thickness-based model indicates that as ${h^{\prime}_{m,c}} > 21.1{h_{cr}}$ , where ${h^{\prime}_{m,c}}$ is the maximum value of the characteristic minimum film thickness $({h_{m,c}})$ and ${h_{cr}}$ is the critical thickness, bouncing occurs in both head-on and off-centre collisions. That is, when $1.2O{h_{g,l}}/(1 - 2O{h_l}) > \sqrt[3]{{{A^\ast }}}$ , a fully developed bouncing regime occurs, thereby yielding a lower coalescence efficiency. The transitional Weber number is found universally to be 4.
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