Oil droplet impacting on the water surface: crater and jet dynamics depending on the oil viscosity

Abstract

In this study, we conducted an experiment of the impacting of a silicon oil droplet (with varying viscosity) on a water in a deep-water tank at different impact velocities. The objective was to investigate the effects of the oil viscosity and Froude number on the dynamics of craters and jets formed on the surface of the water. By utilizing the high-speed shadowgraphy, we were able to measure the dimensions of the crater and multiple parameters of the jet. Through the analysis of the behavior of the jet, we categorized the subsequent phenomena into four regimes, and explained underlying mechanisms in terms of the viscosity variation and Froude number. The criteria for classifying the regimes are whether there is a pinch-off, whether the jet thickness is thinner than the initial droplet diameter, and whether the composition of the secondary droplet is oil only or mixed with water. In particular, two visualization methods were performed to check the composition of the secondary droplet. When we plotted the dimensionless crater width against the dimensionless time, we found that all the experimental cases were s-shaped curves that followed the same main curve and then separated, and the point of separation was determined by the Froude number. Additionally, particle image velocimetry (PIV) enabled us to acquire the velocity field surrounding the crater and conduct an energy analysis in terms of kinetic, potential, and surface energy, supporting the explained mechanism in each regime.

액체, 고체 등 다양한 표면에 대한 액적 충돌 역학에 대한 연구는 활발히 이루어 지고 있지만, 비혼화성 액체에 대한 연구에서 액적의 다양한 특성이 현상에 끼치는 영향에 대해서는 부족하다. 이 연구에서는 다양한 점도의 실리콘 오일 액적이 깊이가 있는 물에 다양한 충격 속도로 충돌하는 실험을 수행했다. 이 실험은 물 표면 아래로 형성된 크레이터와 위에 나타나는 제트의 역학에 대한 액적의 점도와 프루드 수의 영향을 조사하는 것이다. 고속 섀도그래피를 활용하여 크레이터의 크기 등과 제트의 여러 파라미터를 측정할 수 있었다. 제트의 거동 분석을 통해 후속 현상을 네 가지 영역으로 분류하였고, 점도 변화와 프루드 수 측면에서 근본적인 메커니즘을 설명했습니다. 영역을 분류하는 기준은 핀치 오프가 일어나는지, 제트 두께가 초기 액적 직경보다 작은지, 2차 액적의 오일로만 이루어졌는지, 물과 혼합되어 있는지 여부이다. 특히 2차 액적의 성분을 확인하기 위해서 염색한 물, 또는 파티클을 섞은 물에 액적을 충돌시키는 두 가지 시각화 방법을 사용했다. 무차원 크레이터 폭을 무차원 시간에 대해 나타낸 결과, 모든 실험 사례에서 동일한 주곡선을 따라가다가 분리되는 S자형 곡선을 보였으며, 분리 지점은 Fr 수치에 의해 결정되는 것을 확인했다. 또한 초고속카메라를 통한 이상-입자유동영상계를 통해 크레이터 주변의 속도장을 측정하고 운동, 위치 및 표면 에너지 측면에서 에너지 분석을 수행하여 각 영역에서 설명된 메커니즘을 설명하고자 하였다. 고점도의 액적의 경우 점성소산으로 인하여 크레이터에서 젯으로 변할 때, 에너지 전달이 저점도에 비해 적었고, 이로인하여 초기 액적 에너지가 같음에도 불구하고 고점도에서는 속도가 매우 느리며 높이가 매우 낮은 제트가 발생하고, 저점도에서는 매우 빠른 속도로 매우 높은 높이에 도달하며 수많은 핀치오프를 동반하는 제트가 발생하는 차이를 보였다.