TU Darmstadt / ULB / TUprints

Hydrodynamic Investigations of Rapidly Stretched Liquid Bridges

Brulin, Sebastian (2021):
Hydrodynamic Investigations of Rapidly Stretched Liquid Bridges. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017537,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Hydrodynamic Investigations of Rapidly Stretched Liquid Bridges
Language: English
Abstract:

Liquid bridges have become an integral part of many industrial processes relevant to consumer production. For example, the coating technology often includes dip-coating, printing, or spraying of liquid materials. Liquid bridge or liquid jet fast stretching is an essential element of such processes. Bridge stretching determines the outcome of liquid atomization and the agglomeration of wet particles. Moreover, liquid bridge stretching is used for the rheological characterization of complex liquids. This thesis deals with the investigation of fast stretched Newtonian fluid bridges. The unique feature of this study is the investigation of particularly high stretching rates for very small liquid bridge heights. A system consisting of two parallel substrates was developed. One substrate can be moved with a constant, controllable acceleration while the other substrate remains stationary. It allows performing parameter studies with accelerations of up to 180 m/s2 and initial bridge heights starting from 50 μm. Extensive experimental and theoretical studies were carried out to identify the most influencing parameters and, therefore, to understand the physical mechanisms of the observed phenomena better. The characterization includes a description of the kinematics of the liquid bridge stretching and different outcomes like liquid cavitation, finger formation during stretching, and bridge pinch-off. The evolution of the main geometrical properties of the stretching liquid bridge is characterized. These properties include the curvature and shape of the meniscus, length, and diameter of the liquid bridge. Two main regimes of a fast stretching are identified: viscous regime, determined by the Reynolds number, and capillary regime for low viscosity liquids, governed by the Weber number. The knowledge of the kinematics of the bridge allows us to determine the appropriate scales for a description of the stretching outcomes. The cavitation phenomena are described using the estimation of the distribution of the viscous pressure in the gap. This pressure determines the evolution of the cavity radius. A bubble growth model has been developed, which allows the prediction of the instant of the maximum bubble diameter as a function of the cavitation inception rather well. Next, the stability analysis of the bridge free interface is performed, which accounts for the viscous effects and inertia. The predicted condition for the appearance of the fingers and the number of these fingers agree well with the experimental data. Finally, the model for the pinch-off time of the stretching bridge is developed. The scales for the pinch-off time have been determined for viscous and for the capillary stretching regimes. The experimental and theoretical results can be potentially useful for optimizing the operational conditions during printing and modeling atomization, accretion, and agglomeration phenomena.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Flüssigkeitsbrücken sind zu einem integralen Bestandteil vieler industrieller Prozesse in der Konsumgüterproduktion geworden. So umfasst zum Beispiel die Beschichtungstechnologie oftmals die Prozesse des Tauchbeschichtens, des Druckens oder des Zerstäubens von flüssigen Materialien. Die schnelle Dehnung von Flüssigkeitsbrücken oder Flüssigkeits- strahlen sind zentrale Mechanismen dieser Prozesse. Die Flüssigkeitsbrückendehnung bestimmt dabei das Ergebnis der Flüssigkeitszerstäubung und der Agglomeration von feuchten Partikeln. Darüber hinaus wird die Flüssigkeitsbrückendehnung für die Charakterisierung rheologisch komplexer Flüssigkeiten verwendet. Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung schnell gestreckter Newtonscher Flüssigkeitsbrücken. Die Besonderheit dieser Studie ist die Untersuchung sehr hoher Dehnungsraten bei sehr kleinen Flüssigkeitsbrücken. Ein Substrat kann mit einer konstanten, kontrollierbaren Beschleunigung bewegt werden, während das andere Substrat stationär bleibt. Damit wird die Durchführung von Parameterstudien mit Substratbeschleunigungen von bis zu 180 m/s2 und initialen Brückenhöhen ab 50 μm ermöglicht. Es wurden umfangreiche experimentelle und theoretische Studien durch- geführt, um die wichtigsten Einflussparameter zu identifizieren und somit die physikalischen Mechanismen der beobachteten Phänomene besser zu verstehen. Die Charakterisierung umfasst die Beschreibung der Kinematik der Flüssigkeitsbrückendehnung und weiterer auftretender Phänomene wie: Kavitation, Fingerbildung und Aufbruch der Flüssigkeitsbrücke. Die Entwicklung der wichtigsten geometrischen Eigenschaften während der Flüssigkeitsbrückendehnung wird charakterisiert. Zu diesen Eigenschaften gehören die Krümmung und Form des Meniskus, sowie die Länge und der Durchmesser der Flüssigkeitsbrücke. Es werden zwei Hauptregime einer schnellen Dehnung identifiziert: das viskose Regime, das durch die Reynolds-Zahl bestimmt wird, und das Kapillarregime für niedrigviskose Flüssigkeiten, das durch die Weber-Zahl bestimmt wird. Die Kenntnis der Brückenkinematik erlaubt es, die geeigneten Skalen zur Beschreibung der Dehnungsergebnisse zu identifizieren. Die Kavitationsereignisse werden durch die Schätzung der viskosen Druckverteilung zwischen den Substraten beschrieben. Dieser Druck bestimmt die Entwicklung des Hohlraumradius. Es wurde ein Modell für das Blasenwachstum entwickelt, das es erlaubt, den Zeitpunkt des maximalen Blasendurchmessers in Abhängigkeit des Kavitationsbeginns vorherzusagen. Dazu wurde eine Stabilitätsanalyse der brückenfreien Grenzfläche durchgeführt, die die viskosen Effekte und die Trägheit berücksichtigt. Die vorhergesagte Bedingung für das Erscheinen und die Anzahl der Finger stimmen gut mit den experimentellen Daten überein. Es wurde außerdem ein Modell für die Aufbruchszeit der Flüssigkeitsbrücke entwickelt. Dabei wurden die Skalen für die Aufbruchszeit für die viskosen und für die kapillaren Dehnungsregime bestimmt. Die experimentellen und theoretischen Ergebnisse können potenziell nützlich für die Optimierung der Betriebsbedingungen während des Druckens, aber auch für die Modellierung von Zerstäubungs-, Akkretions- und Agglomerationsphänomenen sein.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: viii, 145 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio) > Collaborative Research Centres > CRC 1194: Interaction between Transport and Wetting Processes > Research Area A: Generic Experiments > A03: Investigation of Fast De-wetting from Substrates with Complex Surface Morphologies
Date Deposited: 18 Mar 2021 12:41
Last Modified: 18 Mar 2021 12:41
DOI: 10.26083/tuprints-00017537
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-175375
Referees: Roisman, Apl. Prof. Ilia V. and Hussong, Prof. Jeanette and Dörsam, Prof. Edgar
Refereed: 16 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17537
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