고온으로 가열된 고체 표면 위를 타원형 액적이 충돌할 때, 구형 액적 충돌 거동과 다른 비축대칭적인 퍼짐 거동이 발생하여 반동 높이 조절이 가능하다고 보고되었다. 본 연구에서는 타원형 액적 종횡비가 퍼짐 거동에 미치는 영향을 조사하였다. 충돌 거동은 동기화된 두 대의 고속카메라를 이용하여 두 측면에서 관찰하였고, 액적의 장축과 단축에서의 액적 퍼짐 너비를 각각 조사함으로써 퍼짐 특성을 분석하였다. 실험 결과에서 종횡비가 클수록, 액적 단축의 최대 퍼짐 너비는 증가하는 데 반해, 액적 장축의 것은 큰 변화가 없는 것으로 나타나는 데, 이는 수축 과정에서 액적 정렬을 촉진하고 반동 억제에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 추가적으로 액적 종횡비와 충돌 속도가 동시에 큰 영역에서 발생하는 반동 거동과 액적 분열 현상에 대하여 고찰하였다.
고온으로 가열된 고체 표면 위를 타원형 액적이 충돌할 때, 구형 액적 충돌 거동과 다른 비축대칭적인 퍼짐 거동이 발생하여 반동 높이 조절이 가능하다고 보고되었다. 본 연구에서는 타원형 액적 종횡비가 퍼짐 거동에 미치는 영향을 조사하였다. 충돌 거동은 동기화된 두 대의 고속카메라를 이용하여 두 측면에서 관찰하였고, 액적의 장축과 단축에서의 액적 퍼짐 너비를 각각 조사함으로써 퍼짐 특성을 분석하였다. 실험 결과에서 종횡비가 클수록, 액적 단축의 최대 퍼짐 너비는 증가하는 데 반해, 액적 장축의 것은 큰 변화가 없는 것으로 나타나는 데, 이는 수축 과정에서 액적 정렬을 촉진하고 반동 억제에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 추가적으로 액적 종횡비와 충돌 속도가 동시에 큰 영역에서 발생하는 반동 거동과 액적 분열 현상에 대하여 고찰하였다.
Unlike spherical drop impact, ellipsoidal drop impact can control the bouncing height on a heated surface by significantly altering impact behavior. To scrutinize the effect of the aspect ratio (AR) of the drop on the bounce suppression, in this study, non-axisymmetric spreading behaviors are observ...
Unlike spherical drop impact, ellipsoidal drop impact can control the bouncing height on a heated surface by significantly altering impact behavior. To scrutinize the effect of the aspect ratio (AR) of the drop on the bounce suppression, in this study, non-axisymmetric spreading behaviors are observed from two side views and characterized based on the spreading width of the drop for horizontal principal axes. In addition, the maximum spreading width is investigated for various ARs. The results show that as the AR increases, the maximum spreading width of the minor axis increases, whereas that of the major axis shows no significant variation. In the regime of high AR and high impact velocity, liquid fragmentations by three parts are observed during bouncing. These fragmentations are discussed in this work. The hydrodynamic features of ellipsoidal drop impact will help understand bouncing control on non-wetting surfaces for several applications, such as self-cleaning and spray cooling.
Unlike spherical drop impact, ellipsoidal drop impact can control the bouncing height on a heated surface by significantly altering impact behavior. To scrutinize the effect of the aspect ratio (AR) of the drop on the bounce suppression, in this study, non-axisymmetric spreading behaviors are observed from two side views and characterized based on the spreading width of the drop for horizontal principal axes. In addition, the maximum spreading width is investigated for various ARs. The results show that as the AR increases, the maximum spreading width of the minor axis increases, whereas that of the major axis shows no significant variation. In the regime of high AR and high impact velocity, liquid fragmentations by three parts are observed during bouncing. These fragmentations are discussed in this work. The hydrodynamic features of ellipsoidal drop impact will help understand bouncing control on non-wetting surfaces for several applications, such as self-cleaning and spray cooling.
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문제 정의
액적 종횡비에 따라 달라지는 축 간의 최대 퍼짐의 차이는 수축 과정에 일어나는 액적 정렬과 진동 유발에 매우 밀접한 연관이 있기 때문에 중요하다. 따라서 타원형 액적 종횡비가 비축대칭 퍼짐 거동에 미치는 영향에 대한 분석에 초점을 맞추어 본 연구를 진행하였다.
본 연구에서 고온으로 가열된 고체 표면 위를 타원형 액적이 충돌할 때 종횡비가 퍼짐 거동에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 타원형 액적 충돌은 구형 액적과는 달리 비축대칭 거동으로 인하여 액적 퍼짐이 주 축에서 달라지게 된다.
가설 설정
본 연구에서 액적 충돌에 관여하는 무차원 수는 관성력과 표면장력의 상대적인 차이를 나타내는 웨버 수(We = ρD0 U02/σ)이다; 여기서 ρ는 물의 밀도, D0 액적 직경(~2 mm), U0 충돌 속도, σ 표면장력이다. 점성력은 관성력과 표면장력에 비하여 영향력이 거의 없다고 가정하였다. 본 실험에서 종횡비의 영향을 조사하기 위하여 웨버 수는 30±1로 일정하게 유지하였고, 고속 충돌에서의 액적 분열 현상을 관찰하기 위하여 웨버 수를 47로 증가시켰다.
하지만 충돌 전의 진동이 퍼짐 거동에 미치는 영향은 거의 무시할 수 있다. 즉 액적이 충돌할 때 특정 종횡비를 가지고 형상이 변하지 않는다고 가정할 수 있다. 이것은 액적이 고체표면에 모두 닿는 데 걸리는 시간이 진동하는 주기보다 매우 짧기 때문이다.
제안 방법
(3,4) 하지만 가열된 표면 위에서는 오히려 액적 반동이 촉진된다는 실험적인 결과가 보고되었다.(5) 이와 다른 방법으로서 본 연구팀은 액적 모양을 비축대칭 타원형으로 변형하여 충돌 하는 방법을 제안하였고, 소수성 표면 위에서 액적 침적 조절을 가능하게 하였다.(6) 기존의 구형 액적 충돌은 액적이 갖고 있는 총 에너지가 충돌 후에도 수직 축으로 수렴하게 되어 반동이 쉽게 일어난다.
본 연구는 액적 충돌 시 두 측면에서의 액적 거동을 동시 고속 촬영을 통하여 관찰하였고, 액적 충돌 속도가 고정되었을 때 각 축에서의 액적 퍼짐 너비를 측정하였다. 또한, 종횡비에 따른 최대 퍼짐을 조사하였다. 마지막으로 액적 종횡비와 충돌 속도가 동시에 큰 영역에서의 액적 충돌 거동 특성을 설명하였다.
또한, 종횡비에 따른 최대 퍼짐을 조사하였다. 마지막으로 액적 종횡비와 충돌 속도가 동시에 큰 영역에서의 액적 충돌 거동 특성을 설명하였다.
먼저 타원형 액적의 충돌 거동을 종횡비에 따라 조사하였다(Fig. 2). 여기서, 종횡비는 충돌 직전에 측정된 액적의 x-y 단면의 장축(b)과 단축(a)의 비이다(AR = b/a).
본 실험에서 종횡비의 영향을 조사하기 위하여 웨버 수는 30±1로 일정하게 유지하였고, 고속 충돌에서의 액적 분열 현상을 관찰하기 위하여 웨버 수를 47로 증가시켰다.
본 연구는 액적 충돌 시 두 측면에서의 액적 거동을 동시 고속 촬영을 통하여 관찰하였고, 액적 충돌 속도가 고정되었을 때 각 축에서의 액적 퍼짐 너비를 측정하였다. 또한, 종횡비에 따른 최대 퍼짐을 조사하였다.
비축대칭 퍼짐을 정량화하기 위하여, 액적의 고체표면과의 접촉 너비의 시간적 변화를 두 축에서 각각 조사하였다(Fig. 3). 구형 액적(AR = 1.
1). 액적 충돌 직전 종횡비를 1.0 ~ 2.0 범위에서 얻기 위하여 정밀한 실험을 진행하였다. 정전 분무장치의 높이를 약간씩 조절하면 같은 충돌 속도에서 다양한 종횡비를 얻을 수 있다.
충돌 거동 관찰을 위하여 두 개의 동기화된 고속카메라(Photron, Fastcam SA3)을 이용하여 액적 충돌 지점에서 두 측면에서 거동을 촬영하였다(Fig. 1). 액적 충돌 직전 종횡비를 1.
대상 데이터
충돌할 고체 표면은 거칠기가 약 5 nm 정도의 실리콘 기판을 시용하였고, 표면 온도는 라이덴프 로스트 현상의 기체층이 안정적으로 형성되는 젠틀 막비등(gentle film boiling)(8) 이 유도될 수 있도록 최대 450 oC까지 가열되었다.
타원형 액적은 기존에 잘 알려진 노즐과 고리 전극으로 구성된 정전분무장치를 이용하여 생성하였다.(6) 고리 전극의 외경은 원형이고, 내경은 타원형으로 관통되어 있다.
성능/효과
(5) 이와 다른 방법으로서 본 연구팀은 액적 모양을 비축대칭 타원형으로 변형하여 충돌 하는 방법을 제안하였고, 소수성 표면 위에서 액적 침적 조절을 가능하게 하였다.(6) 기존의 구형 액적 충돌은 액적이 갖고 있는 총 에너지가 충돌 후에도 수직 축으로 수렴하게 되어 반동이 쉽게 일어난다. 이에 반해, 비축대칭 타원형 액적 충돌은 액적 진동(drop oscillation)으로 인하여 총 에너지의 일부를 수평 축의 운동에너지로 분산시키기 때문에 반동이 억제될 수 있다.
이것은 기존의 소수성 고체표면 위 액적 충돌에서 관찰되지 않았던 현상이다.(6) 충돌 웨버 수가 커지면서 각 축에서의 최대 퍼짐이 증가하였고, 이 때 매우 얇은 두께(h ~ Dmx-1 Dmy-1)의 액적 필름이 만들어진다. 액적의 x축 정렬 과정에서는 양 끝으로 향하는 액체 관성력과 이를 복원하려는 표면장력이 균형을 이룬다.
5 ms 에서 보면 종횡비가 커질수록 x축의 접촉 너비는 점점 커지는 데 반해, y축의 접촉 너비는 큰 변화가 없다는 것을 알 수 있다. 종횡비에 따라 두 축에서의 최대 퍼짐을 조사해보면, 종횡비가 커질수록 x축과 y축의 최대 퍼짐의 차이가 커진다는 것을 알 수 있다 (Fig. 4). 이 결과는 종횡비가 클수록 x축으로의 정렬 현상이 두드러지게 나타나게 되고, 더 큰 진폭의 진동이 유도될 수 있다.
후속연구
만일 얇아진 액적 필름의 부분적인 가열로 인하여 표면장력이 급격한 감소하거나, 필름에 균열이 일어나게 된다면(11) 이 균형을 유지하기 어렵게 되고 액적이 분열될 가능성이 있다. 높은 종횡비 및 높은 웨버 수 영역의 액적 반동 거동은 향후 심도 있는 연구가 필요할 것으로 보인다.
종횡비가 커질수록, 주 축에서의 최대 퍼짐 차이가 커지게 되고, 액체 정렬에 영향을 주게 된다. 본 연구 결과는 비습윤(non-wetting) 표면에서의 퍼짐 역학을 이해하는 데 도움을 줄 뿐 아니라, 분무 냉각 등에서 효과적인 액적 반동 조절 기술에 응용될 수 있을 것이다. 향후에는 타원형 액적 충돌 속도가 퍼짐 및 반동 거동에 미치는 영향에 대하여 연구를 진행할 예정이다.
본 연구 결과는 비습윤(non-wetting) 표면에서의 퍼짐 역학을 이해하는 데 도움을 줄 뿐 아니라, 분무 냉각 등에서 효과적인 액적 반동 조절 기술에 응용될 수 있을 것이다. 향후에는 타원형 액적 충돌 속도가 퍼짐 및 반동 거동에 미치는 영향에 대하여 연구를 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
라이덴프로스트(Leidenfrost) 현상은 어떤 경우 생기는가
액적이 끓는점 이상의 온도로 가열된 고체 표면 위를 충돌할 때 라이덴프로스트(Leidenfrost) 현상 (1)이 발생하여 반동(bouncing)을 일으킨다. 이 반동은 액체와 고체 사이에 마찰이 없는 얇은 기체 층 (vapor cushion)이 형성되어 액적이 고체표면에 거의 접촉하지 않기 때문에 발생한다.
분무 냉각은 어떤 특징을 가지고 있는가?
이 반동은 액체와 고체 사이에 마찰이 없는 얇은 기체 층 (vapor cushion)이 형성되어 액적이 고체표면에 거의 접촉하지 않기 때문에 발생한다. 집중 냉각 방식으로 알려진 분무 냉각(spray cooling)의 경우 (2) 비교적 소량의 냉각수 사용, 소형화 가능성, 높은 냉각 효율의 성능을 가지고 있는 반면, 라이덴프로스트 현상이 발생했을 때 냉각 효율이 급격하게 저하되기 때문에 일시적으로 다량의 냉각수가 요구되며, 액적의 무분별한 반동으로 인하여 냉각수 소실이 생기게 된다.
라이덴프로스트(Leidenfrost) 현상이 발생하여 반동을 일으키는 이유는?
액적이 끓는점 이상의 온도로 가열된 고체 표면 위를 충돌할 때 라이덴프로스트(Leidenfrost) 현상 (1)이 발생하여 반동(bouncing)을 일으킨다. 이 반동은 액체와 고체 사이에 마찰이 없는 얇은 기체 층 (vapor cushion)이 형성되어 액적이 고체표면에 거의 접촉하지 않기 때문에 발생한다. 집중 냉각 방식으로 알려진 분무 냉각(spray cooling)의 경우 (2) 비교적 소량의 냉각수 사용, 소형화 가능성, 높은 냉각 효율의 성능을 가지고 있는 반면, 라이덴프로스트 현상이 발생했을 때 냉각 효율이 급격하게 저하되기 때문에 일시적으로 다량의 냉각수가 요구되며, 액적의 무분별한 반동으로 인하여 냉각수 소실이 생기게 된다.
참고문헌 (11)
Leidenfrost, J. G., 1756, "De Aquae Communis Nonnullis Qualitatibus Tractatus," Ovenius.
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Smith, M. I. and Bertola, V., 2010, "Effect of Polymer Additives on the Wetting of Impacting Droplets," Physical Review Letters, Vol. 104, No. 15, p. 154502.
Bertola, V., 2014, "Effect of Polymer Concentration on the Dynamics of Dilute Polymer Solution Drops Impacting on Heated Surfaces in the Leidenfrost Regime," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 52, pp. 259-269.
Yun, S., Hong, J. and Kang, K. H., 2013, "Suppressing Drop Rebound by Electrically Driven Shape Distortion," Physical Review E, Vol. 87, No. 3, p. 033010.
Yun, S. and Lim, G., 2014, "Control of a Bouncing Magnitude on a Heated Substrate via Ellipsoidal Drop Shape," Applied Physics Letters, Vol. 105, No. 24, p. 244108.
Tran, T., Staat, H. J., Prosperetti, A., Sun, C. and Lohse, D., 2012, "Drop Impact on Superheated Surfaces," Physical Review Letters, Vol. 108, No. 3, p. 036101.
Biance, A. L., Pirat, C. and Ybert, C., 2011, "Drop Fragmentation due to Hole Formation During Leidenfrost Impact," Physics of Fluids, Vol. 23, No. 2, p. 022104.
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