Wissenschaftler stellen ein neues Modell zur Vorhersage des Spritzverhaltens von Tröpfchen auf festen Oberflächen vor

Die Untersuchung von Flüssigkeitströpfchen und ihrem Verhalten beim Aufprall ist auf vielen Gebieten von großer Bedeutung, einschließlich der Landwirtschaft, des Ingenieurwesens und der Medizin. Die Vorhersage des Tröpfchenverhaltens findet Anwendung bei Spritzlackierungen und Pestizidsprays, Tintenstrahltechnologie zum Drucken und Aerosolerzeugung bei Regen. Ein tieferes Verständnis dieses Phänomens ist daher nicht nur für die Weiterentwicklung unseres Wissens in der Strömungsphysik, sondern auch in der Technologie unerlässlich.

In dieser Hinsicht ist ein besonders faszinierendes Phänomen das Spritzen von Tröpfchen beim Auftreffen auf feste Oberflächen. Mehrere Studien zum Verhalten von Flüssigkeitsfilmen haben dazu beigetragen, das Spritzen von Tröpfchen zu beleuchten. Es hat sich jedoch kein Konsens darüber herausgebildet, wann ein Tröpfchen spritzen kann. Darüber hinaus ist es ebenso wichtig, das Benetzungsverhalten oder die Leichtigkeit, mit der eine Flüssigkeit an glatten und rauen festen Oberflächen haftet, zu verstehen.

Vor diesem Hintergrund hat eine Gruppe von Wissenschaftlern aus Japan und China kürzlich eine Studie zu diesem Thema durchgeführt. Das Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Yukihiro Yonemoto von der Kumamoto University, Japan, hat in Zusammenarbeit mit Professor Tomoaki Kunugi von der Zhejiang University, China, ein neues Modell vorgeschlagen, das vorhersagen kann, wann ein Tropfen nach dem Aufprall auf eine feste Oberfläche spritzt. Ihre Forschung wurde in veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte und Kommunikation zu Kolloid- und Grenzflächenwissenschaften.

Wenn ein Tröpfchen mit einer festen Oberfläche kollidiert, erscheint unter dem auftreffenden Tröpfchen ein instabiler Flüssigkeitsfilm. Um diese Instabilität zu berücksichtigen, modifizierte das Team die Energiebilanzgleichung, die die sich ausbreitende Kontaktfläche für glatte und raue Oberflächen vorhersagt.

Um das theoretische Modell zur Vorhersage des Spritzzustands zu entwickeln, betrachtete das Team den Druckausgleich des Flüssigkeitsfilms. Die aus der Kombination der modifizierten Energiebilanzgleichung und der Druckbilanzgleichung erhaltenen analytischen Ergebnisse stimmten gut mit der kritischen Weber-Zahl (einer dimensionslosen Größe, die den Flüssigkeitsfluss auf Oberflächen charakterisiert) für Spritzer überein, die experimentell für Flüssigkeitströpfchen einer Wasser-Ethanol-Mischung erhalten wurden.

Die Ergebnisse zeigten, dass der Spritzzustand nicht nur von der Viskosität der Flüssigkeit, sondern auch von der Benetzbarkeit und Rauheit der Festkörperoberfläche abhängt. Darüber hinaus wurde das Spritzkriterium durch einen Wettbewerb zwischen hydrostatischen und hydrodynamischen Drücken, die die treibenden Kräfte waren, und Kapillardruck und viskoser Spannung, die die entgegengesetzten Kräfte waren, bestimmt. Spritzer traten auf, als die treibenden Kräfte siegten.

Zusätzlich zur Vorhersage der Spritzbedingungen sagte das Spritzmodell auch die Größe der verstreuten sekundären Tröpfchen und die Anzahl der fingerartigen Flüssigkeitsstrukturen voraus, die nach der Destabilisierung des Flüssigkeitsfilms auftauchten. Das Modell zeigte, dass die Dicke des Flüssigkeitsfilms, der nach dem Tropfenaufprall entstand, mit der Größe der sekundären Tropfen zusammenhängt. Außerdem standen die Größe dieser sekundären Tröpfchen und die Anzahl der Finger in gegenseitigem Zusammenhang. Sie wurden zusätzlich zu den Flüssigkeitseigenschaften auch durch die Benetzbarkeit/Oberflächenrauhigkeit der festen Oberfläche beeinflusst.

„Unsere Ergebnisse könnten den Weg für ein besseres Verständnis der grundlegenden Physik der Rand- oder Flüssigkeitsfilmfragmentierung ebnen und Anwendungen in wichtigen technischen Bereichen im Zusammenhang mit Drucken, Beschichten und Sprühen finden“, sagt Dr. Yonemoto.