• Aucun résultat trouvé

Impact of particle‐laden drops on substrates with various wettability T H È S E

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Partager "Impact of particle‐laden drops on substrates with various wettability T H È S E"

Copied!
180
0
0

Texte intégral

(1)
(2)
(3)

iii   

Committee

 

Director:  Prof. Frank Dubois  ‐  Université libre de Bruxelles (Belgium) 

Chair:  Prof. Pierre Colinet  ‐  Université libre de Bruxelles (Belgium) 

Members:  Prof. Pierre Lambert  ‐  Université libre de Bruxelles (Belgium) 

  Prof. Marco Marengo   ‐  University of Brighton (United Kingdom) 

  Prof. Alidad Amirfazli  ‐  York University (Canada) 

  Dr. Carlo Saverio Iorio  ‐  Université libre de Bruxelles (Belgium) 

(4)
(5)

v   

Abstract

Since decades, drop impact has been a popular topic of investigation for the importance  that such a phenomenology has in many different application domains.  So far, the effect of micro‐particles on the drop impact morphology has been studied for  a limited number of configurations and often modelled as a change in the viscosity of the carrier  fluid. However, this approach has been found sometimes questionable. The aim of the thesis is to  better  understand  the  phenomenology  associated  with  particle‐laden  drop  impact  such  as  the  distribution  of  particles  in  splats  and  to  extend  the  number  of  experimental  configurations  for  particle‐laden drop impact to occur. 

 The  impact  of  millimetre‐size  particle‐laden  drops  was  investigated  for  hydrophilic  and  hydrophobic  substrates.  The  drops  were  dispersions    of  water  and  round,  spherical  and  nearly  iso‐dense hydrophobic particles with diameters around 200 µm and 500 µm. The substrates were  transparent  glass  and  polycarbonate  plates.  The  impact  was  studied  by  side,  bottom  and  angle  view images in the range 148≤We≤744 and 7092≤Re≤16368. 

(6)
(7)

vii   

Acknowledgements

 

I  would  like  to  acknowledge  everyone  who  has  assisted  me  throughout  my  doctoral  studies over the years. 

Firstly, I  would like  to thank Professor Frank Dubois creating comfortable  conditions for  scientific exploration in the Microgravity Research Centre of ULB and for his advice in optics and  care. 

  Secondly,  I  would  like  to  express  my  deep  gratitude  to  my  co‐promotor,  Prof.  Alidad  Amirfazli,  for  the  interesting  topic,  professional  guidance  and  invaluable  advice  in  the  experiments and writing. Also, I am appreciated to him for invitation to visit his research group in  York University.   

  Thirdly,  I  would  like  to  thank  my  scientific  supervisor,  Dr.  Carlo  Saverio  Iorio,  for  his  support the experiments, valuable discussion of results and advice in writing. 

Fourthly,  I  would  like  to  thank  Patrick  Queeckers  for  helping  with  software  issues  for  a  syringe  pump  and  computers.  Also,  I  would  like  to  thank  Dr.  Christophe  Minetti  for  providing  software to count particles.  

(8)
(9)
(10)
(11)

xi   

List of Tables

 

Table 1.1  Summary  of  the  work  achievements  in  the  study  of  particle‐laden  drop  impacts 

13

Table 1.2  Summary of the activities  14

Table 2.1  Classification of drop impact studies on suspensions  26

Table 2.2  Parameters of the experiments  35

Table 2.3  Coefficients  A  and  B  of  the  linear  regression  Aϕ+B  for  maximum  spreading  factors. The error bars of the estimated parameters are equal to two standard  deviations 

48

Table 2.4  Coefficients A and B of the linear regression Aϕ+B for final spreading factors.  The  error  bars  of  the  estimated  parameters  are  equal  to  two  standard  deviations 

49

Table 2.5  Coefficients  A  and  B  of  the  linear  regression  Aϕ+B  for  maximum  spreading  factor caused by inertial force. The error bars of the estimated parameters are  equal to two standard deviations 

63

Table 2.6  Phenomena happened during drop impact in our work  64

Table 2.7  Tendency  of  phenomena  appearance  for  pure  water  on  hydrophobic  substrate  with  the  increase  of  the  impact  velocity  from  1.7  to  3.7  m/s  (We= (150 to 750) and Re = 7200 to 16200) 

65

Table 2.8  Tendency of phenomena appearance for pure water with solid particles with  the increase of the impact parameters 

66

Table 2.9  Coefficients  A  and  B  of  the  linear  regression  Aϕ+B  for  maximum  spreading  factor  caused  by  inertial  force  on  hydrophilic  and  hydrophobic  substrates  from Tables 2.3 and 2.5. The error bars of the estimated parameters are equal  to two standard deviations 

69

Table 3.1  Experimental  conditions,  and  physical  characteristics  of  liquids  and  density‐ matched particles in analysed works 

80

Table 3.2  Separation  quality  of  splashing  regime  maps  by  existing  and  developed  criterions 

89

Table 4.1  Experimental  conditions,  and  physical  characteristics  of  liquids  and  particles  used 

99

Table 4.2  Coefficient A and B of the equation  (2), estimated  by least squares methods  for  each  impact  velocities  U,  separately.  The  error  bars  of  the  estimated  parameters are equal to two standard errors. A is independent of U, whereas 

B is not 

110

(12)

Table 4.3  Parameters  of  the  sigmoid  function  for  the  inner  diameters  of  the  ring  distributions of 200 μm particles on hydrophilic substrates. The error bars of  the estimated parameters are equal to two standard errors 

113

(13)

xiii   

List of Figures

  Fig. 1.1  Applications where particle‐laden drops impact onto surfaces  2 Fig. 1.2  Possible outcomes of a drop impact onto a solid surface  4

Fig. 1.3  Sessile drop on a solid substrate;   represents the contact angle  6 Fig. 2.1  Possible  outcomes  of  drop  impact  of  liquid  without  particles  on  dry  solid 

substrates. The image sequences were done from top and side view relative  to falling axis of a drop 

23

Fig. 2.2  Forms of particle‐laden drops  25

Fig. 2.3  Schematic of the experimental apparatus used to study drop impact  33 Fig. 2.4  Image  sequences  show  drop  impact  of  water  on  the  hydrophobic 

polycarbonate  plate  at  Weber  number  150 (drop  diameter  3.82  mm  and  velocity  1.68 m/s).  Top  and  bottom  row  of  sequences  were  taken by side and bottom view cameras, respectively. Time of the images was  written below of them relative to the impact begin. The white crosses are the  centre of the drop impacts 

37

Fig. 2.5  Appearance  probability,  P,  of  temporary  dry  spot,  drop  jetting  and  partial  rebound during the impact of water drops on the hydrophobic surfaces versus  Weber  number,  .  Error  bars  of  Weber  numbers  denote  two  standard  deviation 

38

Fig. 2.6  Drop impact  of water on the hydrophobic polycarbonate plate at  742 

( 3.88 mm and  3.71 m/s) 

39

Fig. 2.7  Drop  impact  of  water  with  200  µm  particles  on  the  hydrophobic  polycarbonate  plate  at  151 ( 3.79 and  1.69m/s) and particle  volume fraction  0.04 

39

Fig. 2.8  Appearance  of  partial  rebound  versus  Weber  number,  ,  and  particle  volume fraction,  , under the drop impact of water with 200 µm particles on  the  hydrophobic  polycarbonate  plates.  The  dashed  line  separates  the  drop  impacts with and without the partial rebound (the bottom and top part of the  graph, respectively) 

40

(14)

Fig. 2.10  New  type  of  dry  spots  for  water  with  200  µm  particles  on  the  hydrophobic  polycarbonate  plates.  (a)  The  dry  spot  due  to  the  break  of  the  air  bubble  attached  to  the  particle  and  it  caused  the  drop  rupture  at  We=152  (D0=3.80 

mm and U=1.70 m/s) and ϕ=0.07. (b) Two dry spot near the impact centre at 

We=153  (D0=3.81 mm and U=1.70  m/s) and ϕ=0.05. The insets are enlarged 

parts of the images. The white cross is the impact centre 

41

Fig. 2.11  Splashing  of  water  drops  with  200  µm  particles  on  the  hydrophobic  polycarbonate  plates  at  (a)  We=437  (D0=3.77  mm  and  U=2.89  m/s),  ϕ=0.08 

and (b) We=725 (D0=3.87 mm and U=3.67 m/s) and ϕ=0.04 

42

Fig. 2.12  Appearance  of  the  splashing  versus  Weber  number  We  and  particle  volume  fraction  ϕ  under  the  drop  impact  of  water  with  200  µm  particles  on  the  hydrophobic  polycarbonate  plates.  The  dashed  line  separates  no  splashing  and splashing regimes (the left and right part of the graph, respectively) 

43

Fig. 2.13  Images  of  the  receding  break‐up  of  water  with  200  µm  particles  on  the  hydrophobic  polycarbonate  substrate  at  We=153  (D0=3.81  mm  and  U=1.70 

m/s) and ϕ=0.05 

44

Fig. 2.14  Appearance  of  receding  break‐up  versus  Weber  number  We  and  particle  volume fraction ϕ under the drop impact of water with 200 µm particles on  the  hydrophobic  polycarbonate  plates.  The  dashed  line  separates  the  drop  impacts without and with the receding break‐up (the left and right part of the  graph, respectively) 

44

Fig. 2.15  Absence  of  receding  break‐up  for  water  with  200  µm  particles  on  the  hydrophobic  polycarbonate  substrate  at  We=154  (D0=3.85  mm  and  U=1.70 

m/s) and ϕ=0.12 

45

Fig. 2.16  Regime map of the drop fragmentation of water drops with 200 µm particles  under impact on the hydrophobic polycarbonate substrates 

45

Fig. 2.17  Spreading  factor  of  water  drop  without  and  with  200  µm  particles  on  hydrophobic  polycarbonate  surface  versus  time  at  We=152±5  and 

Re=7258±170 (D0=3.83±0.06 mm and U=1.69±0.02 m/s) and different particle 

volume fraction ϕ 

47

Fig. 2.18  Maximum  spreading  factor  of  water  with  200  µm  particles  on  hydrophobic  surface versus particle volume fraction ϕ 

48

Fig. 2.19  Final  spreading  factor  (after  1  s  from  impact  start)  of  water  with  200  µm  particles  on  hydrophobic  surface  versus  particle  volume  fraction.  The  insets  are the images of the droplets after 1s from the impact: a) We=436, ϕ=0.02;  b) We=156, ϕ=0.33; c) We=442, ϕ=0.17. The images are not in the same scale 

49

(15)

Fig. 2.22  Singular  jet  appearance  under  drop  impact  of  water  with  500  µm  particles  onto hydrophobic polycarbonate substrates at ϕ=0.07 and We=158 (D0=3.95 

mm and U=1.70 m/s) 

51

Fig. 2.23  Lamella’s rupture of a water drop with 500 µm particles onto a hydrophobic  polycarbonate  substrate  due  to  break‐up  of  a  bubble  attached  to  a  particle  and the substrate (a) or only to the substrate (b). The enlargements for side  and bottom views are 2.5 and 5 times, respectively. The images (a) were done  at  We=157  (D0=3.84  mm  and  U=1.71  m/s)  and  ϕ=0.05,  and  images  (b)  –  at 

We=157 (D0=3.89 mm and U=1.71 m/s) and ϕ=0.06 

52

Fig. 2.24  Regime map of the appearance of temporary dry spot and lamella rupture for  water  with  500  µm  particles  under  drop  impact  onto  hydrophobic  polycarbonate substrates 

53

Fig. 2.25  Regime map of splashing for drop impact of water with 500 µm particles onto  hydrophobic polycarbonate substrates 

53

Fig. 2.26  Splashing  of  water  drops  with  500  µm  particles  on  the  hydrophobic  polycarbonate plates at We=440 (D0=3.77 mm and U=2.90 m/s) and ϕ=0.06 

54

Fig. 2.27  Regime  map  of the receding  break‐up  of water with 500 µm  particles under  drop impact onto hydrophobic polycarbonate substrates 

54

Fig. 2.28  Regime  map  of  fragmentation  for  water  with  500  µm  particles  under  drop  impact onto hydrophobic polycarbonate substrates 

55

Fig. 2.29  Spreading  factor  of  water  drop  without  and  with  500  µm  particles  on  hydrophobic  polycarbonate  surface  versus  time  at  We=154±7  and 

Re=7286±216 (D0=3.84±0.08 mm and U=1.70±0.03  m/s) and different particle 

volume fraction ϕ 

56

Fig. 2.30  Spreading  factor  of  water  drop  without  and  with  500  µm  particles  on  hydrophobic  polycarbonate  surface  versus  time  at  We=445±19  and 

Re=12297±395  (D0=3.78±0.09  mm  and  U=2.91±0.03    m/s)and  different 

particle volume fraction ϕ 

57

Fig. 2.31  Spreading  factor  of  water  drop  without  and  with  500  µm  particles  on  hydrophobic  polycarbonate  surface  versus  time  at  We=729±41  and 

Re=15920±725  (D0=3.86±0.16  mm  and  U=3.69±0.06    m/s)  and  different 

particle volume fraction ϕ  58 Fig. 2.32  Image sequences show drop impact of water on the hydrophilic glass plate at  Weber number We=152 (drop diameter D0=3.81 mm and velocity U=1.69 m/s)  59 Fig. 2.33  Image sequences show drop impact of water with the 200 µm particles on the  hydrophilic glass plate at We=157 (D0=3.89 mm and U=1.71 m/s) and ϕ=0.06  60

Fig. 2.34  Appearance  of  the  splashing  versus  Weber  number  We  and  particle  volume  fraction  ϕ  under  the  drop  impact  of  water  with  200  µm  particles  on  the  hydrophilic glass plates. The dashed line separates no splashing and splashing  regimes (the left and right part of the graph, respectively) 

60

(16)

Fig. 2.35  Drop spreading of water and water with 200 µm particles on the hydrophilic  glass  substrates  at  We  =  153±3  and  Re=7255±116  (D=3.83±0.05  and 

U=1.69±0.01)  62 Fig. 2.36  Maximum spreading factor of water with 200 µm particles on the hydrophilic  glass substrates versus particle volume fraction  62 Fig. 2.37  Regime map of splashing for drop impact of water with 500 µm particles onto  hydrophilic glass substrates  63

Fig. 3.1  Regime  maps  of  splashing  at  glass  substrates  of  drops  with  hydrophilic  particles  generated  from  data  in  [Nicolas,  2005].  Open  and  solid  symbols  correspond to no‐splashing and splashing, respectively. In the top of plots, the  value   is  shown  with  95.5%  confidence  intervals,  calculated  from  the  criterion of [Peters, 2013] 

81

Fig. 3.2  (a) Schematic of splashing regime map for particle‐laden drops. (b) Separation  of  splashing  regime  map  into  two  domains  by  developed  criterion  and  splashing criterion for pure liquids (3.3) 

82

Fig. 3.3  Fraction  of  points  nonregistered  by  the  splashing  criterions  (Eq.  3.3,  3.12)  versus the value   for splashing data from [Nicolas, 2005] for drops containing  hydrophilic  particles  with  diameter  381 or 720 µm.  The  criterion  of  Eq.3.12 was taken with 95.5% confidence interval. Total points,  , in two  splashing  regime  maps  were  36  and  41,  for  particles  381 and 720 µm,  respectively 

85

Fig. 3.4  Separation  of  splashing  regime  maps  at  0.180 and  0.292 for  data  from [Nicolas, 2005] for drops containing hydrophilic particles with diameter  720 µm.  Shaded  area  is  95.5%  confidence  interval  of  the  developed  criterion  (Eq.  3.12).  Open  and  solid  symbols  correspond  to  no‐splashing  and  splashing, respectively. 

85

Fig. 3.5  Fraction  of  points  nonregistered  by  the  splashing  criterions  (Eq.  3.3,  3.12)  versus  the  value   for  splashing  data  from  [Grishaev,  2015]  for  drops  containing  hydrophobic  particles  with  diameter  196 or 463 µm.  The  criterion  of  Eq.3.12  was  taken  with  95.5%  confidence  interval.  Total  points,  ,  in  two  splashing  regime  maps  were  134  and  76,  for  particles  196 and 463 µm, respectively 

86

Fig. 3.6  Schematic  to  illustrate  the  calculation  of  surface  energy  change  due  to  the  particle ejection ‐ from a drop interface. (1) The particle at the interface; (2)  the particle ejected (splashed) from drop 

87

Fig. 3.7  Fraction  of  points  nonregistered  by  the  splashing  criterions  (Eq.  3.3,  3.20)  versus  the  value   for  splashing  data  from  [Grishaev,  2015]  for  drops  containing  hydrophobic  particles  with  diameter  196 or 463 µm.  The  criterion  of  Eq.3.20  was  taken  with  95.5%  confidence  interval.  Total  points,  ,  in  two  splashing  regime  maps  were  134  and  76,  for  particles  196 and 463 µm, respectively 

88

(17)

Fig. 3.8  Regime maps of splashing for drops with hydrophilic particles impacting onto  glass  substrates  are  taken  from  [Nicolas,  2015].  The  solid  curve  corresponds  to  the  developed  criterion  (Eq.  3.21),  and  the  shaded  area  –  its  95.5%  confidence interval 

89

Fig. 3.9  Regime  maps  of  splashing  at  hydrophilic  substrates  of  drops  containing  hydrophobic  particles  [Grishaev,  2015].  The  solid  curve  corresponds  to  the  developed  criterion  (Eq.  3.21),  and  the  shaded  area  –  its  95.5%  confidence  interval. The splashing of drops without particles happen at  300 

90

Fig. 3.10  Regime  maps  of  splashing  at  hydrophobic  substrates  of  drops  containing  hydrophobic  particles  [Grishaev,  2015].  The  solid  curve  corresponds  to  the  developed  criterion  (Eq.  3.21),  and  the  shaded  area  –  its  95.5%  confidence  interval. The splashing of drops without particles happen at  300  90 Fig. 4.1  (a) Image of 200 µm particles at the water puddle. (b) Image after brightness  adjustment; the drawings explaining the contact angle measurements on the  particle  100

Fig. 4.2  Set‐up  used  to  study  drop  impact:  a)  a  schematic;  b)  a  live  view.  The  schematic of the set‐up used to study drop impact 

102

Fig. 4.3  Bottom  view  images  of  splats  on  hydrophilic  substrates  after  1  s  from  drop  impact. The white solid line and cross show drop contact line and the point of  the drop impact 

103

Fig. 4.4  Pattern formation for 200 µm particles on hydrophilic substrates at  0.05, 

3.83 and  1.70 m/s  ( 153 and  7258).  The  right  most 

pair of images in the second row shows the capillary slow spreading of liquid  once the dynamic drop impact event has ended. Time from the impact start is  shown above images (t = 0 is the moment of impact) 

105

Fig. 4.5  Drop  spreading  of  pure  water  and  water  with  200  µm  particles  ( 0.05)  onto  hydrophilic  substrates  versus  time  at  3.83 mm,  1.70 m/s 

( 153 and  7252)  and  3.83 mm,  1.70 m/s  ( 153 

and  7258), respectively (colour image online) 

106

Fig. 4.6  Maximum  spreading  factor  of  the  drops  on  hydrophilic  substrates  versus  volume  fraction   for  drops  laden  with  200  µm  particles  for  different  drop  impact velocities   

108

Fig. 4.7  Splashing  of  drops  laden  with  200  µm  particles  under  impact  on  hydrophilic  substrates:  a)  a  regime  map;  b)  example  at  447,  12352 and 

0.03  108 Fig. 4.8  Comparing maximum spreading factor of pure water drops impacting onto a  hydrophilic substrate versus impact velocity from different correlations. Error  bars, denoting two standard deviation, are in smaller than the symbol size  111

Fig. 4.9  Image  of  200  µm  particle  distribution  in  form  of  a  ring.  Blue  and  red  circles  show  outer  and  inner  diameters  of  the  ring,  respectively.  Note  that  particle  distribution is considered in the form of a ring as vast majority of particles are  within the delimited ring (red circles in the images) 

(18)

Fig. 4.10  Non‐demensional  internal  diameter  of  particle  (200  μm)  distributions  on  hydrophilic substrates versus particle volume fraction for the impact velocities 

1.7 m/s  ( 152 4 and  7235 140),  2.9  m/s  ( 443

10  and  12324 246 )  and  3.7  m/s  ( 716 14  and 

15724 278).  Lines  show  the  sigmoid  functions  Eq.  (3)  estimated  by  the  least squares method 

113

Fig. 4.11  Non‐dimensional  inner  diameter  of  particle  (200  μm)  distributions  onto  hydrophilic glass substrates versus the particle volume fraction for the impact 

velocities  1.7  m/s  ( 152 4  and  7235 140 ),  2.9  m/s 

( 443 10 and  12324 246) and 3.7 m/s ( 716 14 and 

15724 278).  The  line  shows  the  sigmoid  function  calculated  by  the  least squares method 

113

Fig. 4.12  Splats  on  hydrophobic  substrates.  For  pure  water  top  row  image  in  a  pair  shows  the  side  view,  whereas  bottom  row  shows  the  bottom  view  of  the  drop. The images for drops with particles are taken with camera 3, see Fig. 4.2 

115

Fig. 4.13  Drop fragmentation and deformation map as per various Weber number and  particle volume fraction,   

116

Fig. 4.14  Pattern  formation  for  200  µm  particles  on  hydrophobic  substrates  at  0.07 and  1.7 m/s  ( 152 and  7198).  t  =  0  is  the  impact  moment 

117

Fig. 4.15  Measurements of the initial drop diameter and the crown height at  0.07 

and  1.7 m/s ( 152 and  7198) 

118

Fig. 4.16  (a)  Assumptions  are  used  in  the  calculations  of  crown  heights.  (b)  Particle  packings on the segment surface are considered in the calculations. Grey lines  show particle arrangements 

118

Fig. 4.17  Spherical cap radius,  , was determined from the measurements of the drop  height,  , and base diameter,  , after drop impact 

119

Fig. 4.18  a)  Relative  height  of  particle  crown  versus  particle  volume  fraction.  b)  Difference  between  the  experimental  and  calculated  values  of  the  crown  heights 

120

Fig. 4.19  Particle  crowns  for  various  volume  fractions  of  200  µm  particles  in  water  drops onto the hydrophobic substrates 

120

Fig. A.1  Preparation  scheme  of  hydrophilic  and  hydrophobic  substrates  for  the  drop  impact studies  130 Fig. A.2  Images of advancing water drop on a UV/Ozone cleaned glass slides. Flow rate  was 2 µl/min  131 Fig. A.3  Images of receding water drop on a UV/ozone cleaned glass slides. Flow rate  was 2 µl/min  131 Fig. A.4  Contact angle hysteresis for water drop on a polycarbonate plate. Insets show  the  water  drop  under  advancing  and  receding  phases.  Flow  rate  was  12  µl/min and the measurements of contact angle were done every 2.5 s 

(19)

Fig. B.1  Schematic of the experimental set‐up for the contact angle measurements on  particles. The set‐up is based on KRUSS DSA 30S 

134

Fig. B.2  Images  of  the  set‐up  for  contact  angle  measurements  on  particles.  a)  Placement of water puddle between the camera and a diffuse light source (is  not  shown);  b)  Addition  of  extension  tubes  for  the  increase  of  optical  magnification  134 Fig. B.3  (a) Image of 200 µm particles at the water puddle. (b) Image after brightness  adjustment; the drawings explaining the contact angle measurements on the  particle  135 Fig. B.4  Scheme of the preparation of water drops with hydrophobic particles  135 Fig. B.5  Measurements  of  the  initial  drop  diameter  at  0.07 and  1.7 m/s 

( 152 and  7198) 

136

(20)

   

 

(21)

1   

Introduction

Contents

1.1. General idea ... 1  1.2. Applications where particle‐laden drops impact onto surfaces ... 2  1.3. Drop impact without particles ... 3  1.4. Particle‐laden drop impact ... 7  1.5. The scope of the thesis ... 10  1.6. The framework of the thesis ... 11  1.7. Achievements and activities ... 13  1.8. References ... 15   

1.1. General idea

Since decades, drop impact has been a popular topic of investigation for the importance that  such a phenomenology has in many different application domains.   As a consequence, it is possible to find a great number of references investigating the impact  of pure liquid drops on substrates showing different wettability and topological structures. However,  only  few  studies  report  the  impact  of  drops  seeded  with  particles  –  as  is  the  case  in  many  applications.  In  this  latter  case,  the  presence  of  particles  is  taken  into  account  by  considering  an   “effective”  viscosity  that  generalize  the  viscosity  of  pure  liquids  when  dilute  dispersion  are  considered.  

(22)

left  about  the  mechanisms  underneath  the  morphology  of  drop  impact,  their  splashing  and  the  distribution of microparticles in splats.  

The  goal  of  this  thesis  is  to  contribute  to  understand  such  mechanisms  in  the  case  the  diameters of particles lay in the micrometre range. 

 

1.2. Applications where particle‐laden drops impact onto surfaces

The  particle‐laden  drop  impact  onto  solid  substrates  find  application  in  many  industrial  processes  such  as,  for  instance,  in  spray,  plasma  spray  and  drop‐on‐demand  coating  technologies  (Fig.  1.1).  Spray  technologies  are  often  used  to  cover  solid  surfaces  by  paints  or  liquid‐friction  modifiers  containing  solid  particles.  In  the  first  case,  particles  (pigments)  are  used  for  colouring.    

(23)

In the second case, particles modify the friction coefficient between train wheels and rails to reduce  their wear and squealing noise at tight curves [Suda, 2005; Eadie, 2006]. In the plasma spray coating  technology, drops of partially molten powder are used to create nanostructured coatings [Fauchais,  2011]. Also, drops, containing solid particles, are used in drop‐on‐demand technologies for additive  manufacturing of ceramics [Seerden, 2001; Calvert, 2001; Lewis, 2006] and electronics [Tekin, 2008;  Singh,  2010].  Wide  application  of  particle‐laden  drops  impels  to  study  their  impact  on  solid  substrates.   The starting point for a better understanding of the factors influencing the particle‐laden  drop impact is often the characterization of the drop impact of pure liquids.    

1.3. Drop impact without particles

For liquids without particles, it is known that, after an impact on a solid substrate, a drop may  either bounce off from it (rebound), stick to it (deposition), or break‐down upon impact into smaller  droplets  (fragmentation)  (Fig.  1.2).  The  phenomena,  leading  to  these  outcomes,  are  classified  and  form the morphology of drop impact. For example, if the detachment of small drops happens during  a  drop  spreading,  then  it  is  named  as  splashing.  The  study  of  the  phenomena  enables  to  know  influencing  factors  and  determine  their  dependences.  To  find  out  the  influencing  factors,  it  is  necessary to understand which forces act on the drop.  

(24)

  Fig. 1.2:  Possible outcomes of a drop impact onto a solid surface 

force of liquid‐air interface,  , could be seen as a restoring force dampening deformation. Also, with  the  exception  of  ,  ,  ,  the  magnitudes  of  the  other  forces  change  during  drop  impact.  To  compare  their  influence  on  the  process,  the  orders  of  their  magnitudes  should  be  dynamically  evaluated and compared with each other.  

The  order  of  the  force  magnitudes,  ,  , ,  ,  are  determined  through  the  initial  drop  parameters and liquid properties as follows.  

The  magnitude  of  gravitational  force, ,  is  equal  to  the  drop  mass  times  the  gravitational  acceleration, .  The  drop’s  mass  is  determined  by  liquid  density, ,  and  drop  volume,  which  is  proportional to the initial drop diameter as  . So, the order of the gravity force magnitude can be  evaluated as  

(25)

The  magnitude  of  the  inertial  force, ,  is  determined  as  the  drop’s  mass  times  the  drop  acceleration  during  impact.  For  the  evaluation  of  the  order  of  drop  acceleration,  we  assume  that  drop  velocity  changes  from  initial    to  zero  in  a  characteristic  time,  / . Thus, the order of the  inertial force magnitude is 

~   (1.2) 

  The viscous force appears when the liquid drop deforms under impact and it equals to the  emergent shear stress multiplied by the contact area between the liquid and solid substrate. In the  case  of  Newtonian  fluids,  the  shear  stress  is  equal  to  the  dynamic  viscosity  of  liquid,  ,  times  the  shear rate. The order of the shear rate can be evaluated as the ratio between the initial drop velocity  and its diameter, i.e. as  / . Based on this assumption and that the contact area is ~ , the order  of viscous force magnitude is equal to   ~   (1.3)    The surface tension force of liquid‐air interface,  , is equal to the surface tension of liquid‐ air interface, , times the length of the line over which it acts. The length of the line is proportional  to the initial drop diameter, so   is   ~   (1.4) 

The  surface  tension  forces, ,  ,  ,  act    at  the  drop  contact  line  parallel  to  the  corresponding interfaces  and determine substrate  wettability.   When  the drop is at rest,, they are  balanced (Fig. 1.3) and defined by the relationship, known as Young equation,  

cos   (1.5) 

(26)

  Fig. 1.3:  Sessile drop on a solid substrate;   represents the contact angle 

several equilibrium contact angles on it. In this case, substrate wettability is specified by two angles:  advancing, ,  and  receding  contact  angles, ,  which  can  be  measured  under  quasi‐static  drop  expansion and reduction. Besides the angles, the surface texture can play the role in the drop impact  morphology. For example, the increase of the substrate roughness decreases the splashing threshold  [Stow, 1981; Cossali, 1997; Riobbo, 2001]. So, the surface texture should be taken into account too.  The ratios between the considered forces (1.1‐1.4) allow determining which forces play main  and secondary roles in a drop impact. The ratios have non‐dimensional forms and are well known in  fluid dynamics. If inertia, viscous and surface tension forces dominate in the drop impact, then two  ratios, including them, are mainly used in the analysis of the process:   Reynolds number,  ,   , ,   (1.6)  and Weber number,  ,   , ,   (1.7)  Thus, the substrate wettability, roughness and the ratios of the magnitudes of the mentioned  forces  determine  the  drop  impact  morphology  on  solid  substrates.  In  the  frame  of  these  factors,  different  aspects  of  the  drop  impact  morphology  have  been  studied  and  understood  [Yarin,  2006;  Marengo, 2011].  

(27)

   

1.4. Particle‐laden drop impact

One  approach  for  accounting  solid  particles  in  a  droplet  of  a  Newtonian  liquid  is  the  replacement  of  the  liquid  viscosity,  ,  by  the  effective  viscosity,  ;  this  latter  typically    increases   with the growth of particle volume fraction,   [Nicolas, 2005; Ueda, 2010]. The effective viscosity is  used  in  the  calculation  of  the  Reynolds  number,  ,  which  in  turn  determines  the  drop  impact  morphology  based  on  pure  liquid.  The  effective  viscosity  can  be  calculated  via,  for  example,  the  equation of Krieger‐Dougherty [Nicolas, 2005] 

1

0.68 .   (1.8) 

If the density of particles,  , differs from a liquid density, , then the effective density of liquid, ,  is also used in the calculation of   and   [Bertola, 2015] and it is calculated as 

1 (1.9) 

Using  the effective viscosity helps  explain some of the observed phenomena; nevertheless  its  use  remains  questionable  for  both  nano‐  and  microparticles.  The  nano‐  and  microparticles  are  particles  whose  overall  dimensions  lay  in  the  range  from  0.5  to  500  nm  and  from  0.5  to  500  μm,  respectively. 

  In the case of nanoparticles, their addition to a Newtonian liquid only increases its viscosity,  but also make it dependent on the shear rate, i.e. the liquid becomes non‐Newtonian and formula  (1.8) is no longer applicable. For instance, the viscosity of water with 2% by weight ( 0.8%) of 20  nm  silica  nanoparticles  is  larger  than  that  of  pure  water  and  it  decreases  with  the  increase  of  the  shear rate; in these conditions, water behaves as a shear‐thinning liquid (Fig.8 in [Zang, 2013]).  

(28)

(2004)  found  that  the  increase  in  viscosity  caused  by  the  addition  of  microparticles  reduces  the  maximum  drop  contact  area  significantly  less  than  in  the  case  of  the  liquid  without  particles.  Meanwhile,  the  addition  of  microparticles  reduces  the  threshold  of  drop  splashing  [Nicolas,  2005;  Peters, 2013] in contrast to the behavior of a pure liquid [Riobbo, 2001]. 

   In  the  literature,  the  description  of  the  impact  morphology  for  drops    containing  particles  was  limited  to  only  some  of  the  phenomena  typical  of    pure  liquids.  For  example,  the  effect  of  nanoparticles  was  considered  only  in  relation  to  drop  rebound  and  droplet  dynamics  under  its  spreading onto a substrate [Zang, 2013]. Also, the influence of microparticles was considered only in  relation  to    partial  or  full  rebound  [Ok,  2004;  Ueda,  2010],  deposition  [Nicolas,  2005;  Shen,  2009;  Lee,  2014;  Marston,  2013;  Lubbers,  2014]  and  splashing  [Nicolas,  2005;  Peters,  2013;  Marston,  2013]. Phenomena such as receding break‐up, rupture, temporary dry spot and singular jet are not  considered at all. 

  Moreover, in many of the previous studies, the influence of solid particles is often unclear  because other factors are introduced artificially. As an example, in [Shen, 2009], when analysing the  drop  spreading,  in  addition  to  solid  particles  also  Arabic  gum  was  added  to  the  carrier  fluid.  The  additional component contribute to change substantially the viscosity of the liquid (Table 1 in [Shen,  2009]), masking the effective influence of the dispersed particles. Sometimes, also the experimental  procedure is unclear. For example, in [Lee, 2014], it is not evident the choice of the time at which  the  drop  contact  area  is  considered  as  maximum.  Looking  at  the  images’  sequence  shown  in  the  paper, the drop appears to continue spreading after the time considered as the maximum spreading  time by the authors. Therefore, in these cases, the cause of changes in drop contact area is not clear. 

(29)

[Nicolas,  2005]).  In  [Nicolas,  2005],  it  is  suggested  that  this  independence  is  still  valid  for  dense  suspension.  However,  the  results  for  dense  suspensions  in  [Peters,  2013]  (Fig.3)  suggest  that  the  splashing threshold indeed decreases with the increase of the particle diameter. On the other way  round, the corresponding splashing criterion for dense suspensions as in [Peters, 2013] while taking  into  account  the  diameter  and  density  of  the  particles  could  not  describe  the  dependence  of  the  threshold from    in the case of dilute suspensions. This example shows that in the literature results  are  often  incomplete  and  contradictory  and  demand  for  the  studies  that  are  at  the  core  of  this  thesis.  

Besides  the  drop  impact  morphology,  there  is  a  little  information  about  the  particle  distribution after an impact. For instance, after the impact of dilute suspension particles distributed  in a ring or disk form [Nicolas, 2005]. In the case of dense suspension, particles formed a monolayer,  in which they grouped in clusters separated by particle‐free regions [Lubbers, 2014]. The observed  patterns  are  explained  qualitatively  by  means  of  the  forces  acting  on  the  particle.  No  analytical  expression (or correlations) for maximum splat diameter or splat shape and the particle distribution  after the impact, was provided. 

  Thus,  it  is  questionable  to  use  the  concept  of  the  effective  viscosity  when  considering  the  drop  impact  of  a  Newtonian  liquid  containing  solid  nano‐  or  microparticles.  Also,  the  drop  impact  morphology of particle‐laden liquids has been considered only for the part of the phenomena typical  of a pure liquid. In the case of splashing and particle distribution, there are questions to numerical  description of these phenomena. 

 

(30)

   

1.5. The scope of the thesis

Based on the existing knowledge gaps about the particle influence on drop impact, the  following goals are set in this thesis:   to know how microparticles influence on the drop impact morphology;   to analyse the available data about splashing of particle‐laden drops and formulate a  criterion, which in applicable for dilute and dense suspensions with both hydrophilic  and hydrophobic particles; 

 to  know  how  particle  distribution  may  be  affected  by  substrate  wettability,  particle  size,  particle  volume  fraction,  and  drop  impact  velocities.  If  it  is  possible  to  find  an  analytical relationship for the particles’ distribution in the splat. 

To  achieve  the  set  goals,  we  used  millimetre  drops.  Such  drops  are  mainly  used  in  impact  studies, so they are useful for comparative analysis. As carrier fluid, water was selected. The surface  tension  of  water  allows  using  substrates  with  different  wettability,  thereby  allowing  to  cover  a  maximum  number  of  possible  phenomena  seen  for  drop  impact  onto  surfaces  with  different  wettabilites. 

The  impact  velocity  was  chosen  in  the  range  from  1.7  to  3.7  m/s  (150≤We≤750  and   7100≤Re≤16400). This allowed us to examine the effect of the particles on various possible number  of  phenomena  (e.g.  splashing,  deposition,  partial  rebound,  and  jetting)  occurring  during  drop  impacts  with  substrates.  At  velocities  below  the  studied  range,  only  drop  deposition  will  be  observed.  At high impact velocities, only drop fragmentation will be observed. 

(31)

studies  of  millimetric  drops.  The  microparticles  were  hydrophobic  to  study  the  influence  of  their  wettability on comparison with published data obtained for hydrophilic particles.   

1.6. The framework of the thesis

This thesis is organized as the collection of individual articles devoted to the above mentioned  goals.   In Chapter 2, we consider how microparticles change the drop impact morphology. The drop  impact is studied onto hydrophilic and hydrophobic substrates at different impact speeds to cover as  much as possible phenomena typical for pure liquids, such as: splashing, receding break‐up, rupture,  temporary  dry  spot,  singular  jet,  drop  partial  rebound  and  deposition.  The  dependences  of  the  phenomena are considered from particle volume fraction and their diameter.  

One of the findings is that the splashing appears at low impact velocity with increasing particle  volume  fraction  and  their  diameter.  These  dependencies  are  not  described  by  existing  splashing  criteria  for  pure  water  or  dense  suspensions.  Therefore,  in  Chapter  3,  we  formulate  a  splashing  criterion working for dilute and dense suspensions. The formulation is based on the analysis of the  existing data from the literature integrated with ours. The obtained criterion improves upon current  model  in  the  prediction  of  the  splashing  threshold  by  introducing  effect  of  the  particle  volume  fraction and particle wettability. The criterion shows correctly the dependence of drop splashing on  particle diameter, volume fraction and wettability. 

(32)

the  particle  distribution  on  hydrophilic  substrates  and  a  crown  height  in  the  case  of  hydrophobic  substrates. 

After this, Chapter 5 summarizes the findings from the previous chapters. And Finally, Chapter  6 discusses the future prospects of the study of the impact of particle‐laden drops. 

(33)

   

1.7. Achievements and activities

The main achievements of this thesis were summarized in Table 1.1. During my PhD study, I  had the opportunity to collaborate to various research projects during which a paper was published  in a peer‐review journal and results were presented in international conferences (Table 1.2).   Table 1.1: Summary of the work achievements in the study of particle‐laden drop impacts 

Topic  State of Art  Achievement

Experimental  apparatus 

Registration by high‐speed camera from  side‐ or bottom‐view 

Registration simultaneously  by  high‐speed  cameras from side and bottom views  

Drop impact  morphology 

Drops composed hydrophilic particles  Drop  partial  or  full  rebound,  deposition  and splashing  

Drops composed hydrophobic particles  Drop  partial  rebound,  deposition,  splashing  receding  break‐up,  rupture,  temporary  dry  spot and singular jet   

Splashing   Inapplicability of splashing criterion used  for pure liquids 

Criterion only for dense suspension  

New  criterion  showing  correctly  the  dependence  from  particle  volume  fraction,  diameter and wettability  

Particle  distribution 

Observation  of  ring/disk  patterns  and  monolayers on hydrophilic substrates   No  analytical  expression  for  observed  patterns. 

Observation  of  new  crown‐like  structures  on  hydrophobic substrates 

Analytical expression for ring/disk patterns on  hydrophilic  substrates  and  for  crown  height  on hydrophobic substrates  

 

(34)

Table 1.2: Summary of the activities 

Type of activity  Description  Year

Academic  Kabov, O.,  Marengo,  M., Legros, J.C., Chikov, S., Queeckers, P., Zaytsev,  D.,  Rioboo,  R.,  Aranio,  L.,  Cheverda,  V.,  Gluschuk,  A.,  Biondi,  F.,  Grishaev,  V.,  Mameli,  M.:  Boiling  incipience  and  rivulet/droplet  dynamics  in  microgravity.  53rd ESA Parabolic Flight Campaign, Bordeaux, France (2010) 

2010

Conference  Grishaev,  V.,  Lyulin,  Y.,  Chikov, S.,  Kabov, O.:  Anti‐wetting  barrier  for  the  CIMEX‐1  experiment.  ELGRA  Biennial  Symposium  and  General  Assembly  "Gravity: from µ to x !", Antwerp, Belgium, Sep. 6‐9 (2011) 

2011

Academic  Kabov, O.,  Marengo,  M., Araneo,  L., Chikov, S., Queeckers, P., Cheverda,  V.,  Zaytsev, D.,  Grishaev,  V.,  Valdarno,  L.: Stratified  flows, contact  line dynamics,  boiling and condensation in microgravity. 55th ESA Parabolic Flight Campaign,  Bordeaux, France, (2011) 

2011

Conference  Grishaev, V., Amirfazli, A., Kabov, O.: Prevention of spreading of the liquid with  low  surface  tension  by  a  micro‐groove.  8th Zsigmondy  Kolloquium, March  05‐ 07, 2012, Darmstadt, Germany 

2012

Paper  Grishaev, V., Amirfazli, A., Chikov, A., Lyulin, Y., Kabov, O.: Study of Edge Effect  to Stop Liquid Spillage for Microgravity Application. Microgravity Sci. Technol.  25, 27‐33 (2013)  2013 Academic  Visiting researcher, Lassonde School of Engineering, York University, Toronto,  Canada, Topic: Impact of particle laden drops onto surfaces. Sep.‐Dec. (2013)  2013

Conference  Grishaev,  V.,  Iorio,  C.S.,  Amirfazli,  A.: Impact  of  particle  laden  drops  onto  surfaces  of  various  wettability,  APS  66th  Ann.  Meeting  DFD,  Pittsburgh,  USA,  Nov. 24‐26 (2013) 

2013

Conference  Grishaev,  V.,  Iorio,  C.  S.,  Amirfazli, A.:  Morphology  of  Particle  Laden  Drop  Impact  onto  a  Surface,  ASME  2014  4th  US‐European  Fluids  Eng.  Division  Summer Meeting, Chicago, USA, Aug. 3‐7 (2014) 

2014

Paper  Grishaev, V., Iorio, C. S., Dubois, F., Amirfazli, A.: Morphology of particle‐laden  drop impacts onto surfaces with various wettability. Submitted. 

2015

Paper  Grishaev,  V.,  Iorio,  C.  S., Dubois,  F., Amirfazli, A.:  Impact  of  particle‐laden  drops: splashing on the substrates with various wettability. Submitted. 

2015

Paper  Grishaev,  V.,  Iorio,  C.  S., Dubois,  F., Amirfazli, A.:  Impact  of  particle‐laden  drops:  particle  distribution  on  the  substrates  with  various  wettabilities.  Submitted.  

2015

(35)

   

1.8. References

Bertola, V., Haw, M. D.: Impact of concentrated colloidal suspension drops on solid surfaces.  Powder Technol. 270, 412‐417 (2015)  Calvert, P.: Inkjet Printing for Materials and Devices. Chem. Mater., 13, 3299‐3305 (2001)  Cossali, G. E., Coghe, A., Marengo, M.: The impact of a single drop on a wetted solid surface.  Exp. Fluids, 22, 463‐472 (1997)  Eadie, D.T., Santoro, M.: Top‐of‐rail friction control for curve noise mitigation and corrugation  rate reduction. J. Sound Vibration 293, 747‐759 (2006)   Fauchais, P., Montavon, G., Lima, R. S., Marple, B. R.: Engineering a new class of thermal spray  nano‐based  microstructures  from  agglomerated  nanostructured  particles,  suspensions  and  solutions: an invited review. J. Phys. D: Appl. Phys. 44, 093001 (53pp) (2011) 

Krieger, I. M., Dougherty, T. J.: A Mechanism for Non‐Newtonian Flow in Suspensions of Rigid  Spheres. Trans. Soc. Rheol. 3, 137 (1959) 

Lee, S. J., Huh, H. K., Kwon, D. H.: Energy dissipation of graphene colloidal suspension droplets  impacting on solid substrates. RSC Adv. 4, 7216–7224 (2014) 

Lewis,  J.  A.,  Smay,  J.  E.,  Stuecker,  J.,  Cesarano,  J.:  Direct  Ink  Writing  of  Three‐Dimensional  Ceramic Structures. J. Am. Ceram. Soc. 89 [12], 3599–3609 (2006) 

Lubbers,  L.  A.,  Xu,  Q.,  Wilken,  S.,  Zhang,  W.  W.,  Jaeger,  H.  M.:  Dense  Suspension  Splat:  Monolayer Spreading and Hole Formation after Impact. Phys. Rev. Lett. 113, 044502 (2014) 

(36)

Marston, J. O., Mansoor, M. M., Thoroddsen, S.T.: Impact of granular drops. Phys. Rev. E Stat.  Phys. Plasmas Fluids Relat. Interdiscip. Topics 88, 010201(R) (2013) 

Nicolas, M.: Spreading of a drop of neutrally buoyant suspension. J. Fluid Mech. 545, 271–280  (2005) 

Ok,  H.,  Park,  H.,  Carr,  W.  W.,  Morris,  J.  F.,  Zhu,  J.:  Particle‐Laden  Drop  Impacting  on  Solid  Surfaces. J. Dispersion Sci. Technol. 25, 449‐456 (2004) 

Peters,  I.  R.,  Xu,  Q.,  Jaeger,  H.R.:  Splashing  Onset  in  Dense  Suspension  Droplets.  Phys.  Rev.  Lett. 111, 028301 (2013) 

Rioboo,  R.,  Tropea,  C.,  Marengo,  M.:  Outcomes  from  a  drop  impact  on  solid  surfaces.  Atomization Sprays 11,155–165 (2001)  Seerden, K.A. M., Reis, N., Evans, J. R. G., Grant, P. S., Halloran, J. W., Derby, B.: Ink‐Jet Printing  of Wax‐Based Alumina Suspensions. J. Am. Ceram. Soc. 84, 2514–20 (2001)  Shen, J., Liburdy, J. A., Pence, D. V., Narayanan, V.: Droplet impingement dynamics: effect of  surface temperature during boiling and non‐boiling conditions. J. Phys.: Condens. Matter 21,  464133 (14pp) (2009)  

Singh  M.,  Haverinen,  H.  M.,  Dhagat,  P.,  Jabbour,  G.  E.:  Inkjet  Printing—Process  and  Its  Applications. Adv. Mater. 22, 673–685 (2010) 

Stow,  C.  D.,  Hadfield,  M.  G.:  An  Experimental  Investigation  of  Fluid  Flow  Resulting  from  the  Impact  of  a  Water  Drop  with  an  Unyielding  Dry  Surface.  Proc.  R.  Soc.  Lond.  A  373,  419‐441  (1981) 

(37)

Tekin,  E.,  Smith,  P.  J.,  Schubert,  U.  S.:  Inkjet  printing  as  a  deposition  and  patterning  tool  for  polymers and inorganic particles. Soft Matter 4, 703–713 (2008) 

Ueda, Y., Yokoyama, S.,  Nomura, M., Tsujino, R., Iguchi, M.: Bouncing behaviors of suspension  liquid drops on a superhydrophobic surface. J. Vis. 13, 281–283 (2010) 

Yarin,  A.L.:  Drop  Impact  Dynamics:  Splashing,  Spreading,  Receding,  Bouncing…  Annu.  Rev.  Fluid Mech., 38,159–92 (2006) 

(38)

   

(39)
(40)

 

Abstract

The  aim  of  this  work  is  to  understand  the  phenomenology  associated  with  particle‐laden  drop impact. The impact of millimetre‐size drops was investigated for hydrophilic and hydrophobic  substrates.  The  drops  were  dispersions  of  water  and  round,  spherical  and  nearly  iso‐dense  hydrophobic  particles  with  diameters  centred  around  200  µm  and  500  µm.  The  substrates  were  transparent glass and polycarbonate plates. The impact was studied by side and bottom view images  in the range 148≤We≤744 and 7092≤Re≤16368. The particles suppressed the appearance of singular  jetting  and  drop  partial  rebound,  and  also  caused  splashing,  receding  break‐up  and  rupture.  The  occurrences  of  these  phenomena  depend  on  the  impact  velocity,  particles’  diameter  and  volume  fraction. The drops with 200 µm particles spread in two phases: fast and slow, caused by inertial and  capillary  forces,  respectively.  Also,  the  increase  in  volume  fraction  of  200  µm  particle  leads  to  a  linear decrease of the maximum spreading factor caused by the inertia force on both hydrophilic and  hydrophobic substrates. 

 

 

2.1. Introduction

(41)

2.1.1. Drop impact morphology of pure liquids

To better  understand the influence of particles on  drop impact, it looks straightforward to  consider  as  a  baseline  for  study  the  case  of  pure  liquids.    The  drop  impact  of  liquid  without  solid  additives  shows  a  variety  of  phenomena:  “prompt”  or  corona  splash,  receding  break‐up,  rupture,  temporary dry spot in a lamella under drop receding, singular jet under receding, partial or complete  rebound  and  deposition  (Fig.  2.1).  In  the  following  a  review  of  the  main  results  as  found  in  the  literature is given. 

The prompt splash is characterized by the generation of droplets directly at the contact line,  while in corona splash, the formation of droplets occurs around the rim of a corona, remote from  the solid surface [Rioboo, 2001]. As shown in [Xu, 2007], the prompt splash is mainly due to surface  roughness  while  the  corona  splash  is  a  result  of  instabilities  produced  by  the  surrounding  gas.  At  atmospheric pressure, the onset of corona splashing was observed when [Stow, 1981; Mundo, 1995;  Cossali, 1997]: 

/ /   (2.1) 

where   is a value which depends on substrate roughness, and   and   are Weber and Reynolds 

numbers,  respectively.  The  Weber  /   and  Reynolds  /   numbers  include 

the  main  parameters  of  drop  impact:  the  diameter,  ,  and  impact  velocity  of  the  drop,  ,  the  density,  ,  viscosity,  ,  and  surface  tension  of  liquid‐air  interface,  .  To  take  into  account  the  decrease  of  splashing  threshold  with  the  increase  of  substrate  roughness,  Cossali  et  al.  (1997)  proposed  an  empirical  formula  for  the  value  of /     depending  on  non‐dimensional  roughness 

parameter / : 

/ 649 3.76/ .   (2.2) 

(42)

Vander Wal, 2006; Palacios, 2013]. This discrepancy may be related to experimental issues such as  substrate cleanliness or quality of images used to assess the threshold. 

The  splash  typically  leads  to  drop  fragmentation.  However,  this  latter  phenomenon  is  also  characteristic of the dynamic associated with the receding breakup. The receding break‐up results  from the uneven motion of the receding drop contact line (Fig. 2.1). This uneven motion often leads  to finger‐like protuberances, which can tear‐off. The chance of tearing‐off becomes higher with the  decrease of liquid viscosity as well as with the increase of receding contact angle of the substrate or  of impact velocity [Rioboo, 2001]. Drop fragmentation could be observed also as a consequence of   drop rupture.  The rupture occurs due to holes formation at the impact and their subsequent growth (Fig.  2.1). This holes – often indicated as dry spots ‐ form due to the break of air bubbles trapped between  the  impacting  droplet  and  the  substrate  [Dhiman,  2010].  The  rupture  depends  on  Reynolds  and  Weber numbers and substrate wettability [Dhiman, 2010]. On substrates with static contact angles  102° and 105°, the rupture have been observed to occur since  5800 and  800 [Dhiman,  2010]. At the same time, on substrates with static contact angles 47° and 160° the rupture does not  happen  at  5800; 11600  and  3200; 7200  [Dhiman,  2010].  Also,  the  rupture  does  not  happen,  when  holes  disappear  under  drop  receding.  In  such  case,  they  are  often  reported  as 

temporary dry spot.  

(43)

   

(44)

The collapse of a temporary dry spot can cause the appearance of singular jets, breaking up  into  many  small  drops  (Fig.  2.1).  Such  jets  happen  during  the  drop  receding  of  water  on  superhydrophobic  surfaces  at  0.6 16   [Bartolo,  2006].  Sometimes,  receding  drops  can  also rebound from the solid surface.  The drop rebound can be partial or complete (Fig. 2.1). The partial rebound is promoted by  the increase of the drop impact velocity or the receding contact angle of the liquid on the substrate  (Table 3 in [Rioboo, 2001]). If the receding contact angle is greater than 100° and 25 585,  Antonini et al. (2013) observed that millimetre water drops rebound completely under impact.   When impacts  do not show any of the above mentioned phenomena, the outcome is often  referenced to as drop deposition. 

Drop  deposition  can  happen  onto  surfaces  with  different  wettability  (Fig.  2.1).  To  characterize  this  process,  the  spreading  factor  is  the  most  general  criterion  used.  The  spreading  factor is the ratio of the equivalent diameter of the drop contact area with the substrate,  ,  to the  equivalent  diameter  of  the  drop  before  impact,  .  The  maximum  spreading  factor  depends  on  substrate  wettability:  it  is  higher  on  hydrophilic  than  on  hydrophobic  substrates.  The  substrate  wettability  is  secondary  in  drop  spreading  dynamics  at  We>200  due  to  inertial  effects  overcoming  capillary forces [Antonini, 2012].  

So,  according  to  the  literature  review,  the  over  mentioned  phenomena  are  mainly  determined  by  the  substrate  wettability  and  roughness  as  well  as  Weber  and  Reynolds  numbers  under drop impact. 

(45)

2.1.2. Impact of particle‐laden drops

For what concerns the kind of dispersion studied in the literature, the phenomena has been  considered for three forms of drops with solid particles: liquid marbles [Aussillous, 2006; Planchette,  2012;  Sivan,  2013;  Zang,  2013],  wet  granular  pellets  [Fu,  2004;  Fu,  2005;  Reynolds,  2005]  and  suspensions  (Fig.  2.2).  Suspension  drops  are  attractive  for  us  owing  to  the  possibility  of  changing  particle concentration. 

The  impact  of  suspensions  depends  on  the  particle  distribution  in  the  drop  before  it.  The  particle  distribution  can  be  homogeneous  or  inhomogeneous.  In  the  literature,  the  homogenity  of  suspensions  is  often  considered  as  a  consequence  of  a  thorough  ultrasonication.  Particle  suspensions  can  also  be  classified  as  dense  and  dilute.  Suspensions  are  considered  as  dense  if  the  particle volume fraction,  , is higher than 0.5.  

If we refers to the literature, dilute suspensions with nanoparticles should be considered as   homogenous  based  on  their  ultrasonication.  However,  dilute  suspension  with  microparticles  are  difficult to assess because in the reviewed papers, no clear image and/or statement is given about  their  homogeneity.  In  that  case,  we  considered  that  those  suspensions  are  most  probably  inhomogeneous.  Drop  impact  studies  on  suspensions  are  summarized  in  Table  2.1.  Dense  suspensions were considered only in relation  to  splashing and deposition.  

 

  Fig. 2.2:  Forms of particle‐laden drops 

(46)

Table 2.1: Classification of drop impact studies on suspensions 

Homogeneity  of  particle 

distribution1)  Particle concentration 2)   Size range of particles3)  References  Homogeneous  dense  Microparticles  [Peters, 2013]  [Marston, 2013]  [Lubbers, 2014]  dilute  Nanoparticles [Zang, 2013]  Microparticles  [Ueda, 2010]  [Shen, 2009]  [Lee, 2014] 

Inhomogeneous  dilute  Micro‐ or  millimetre 

sized particles  [Ok, 2004]  [Nicolas, 2005] 1) The homogeneity of the suspensions in the references was determined by the images of drops before impact  or sonication of the suspensions before drop realising or particle size and volume fraction values.  2)  Particle concentration of suspension drops is dense if particle volume fraction is higher than 0.5.  3) Nanoparticles are the particles which all their dimensions lye in the range of 0.5 to 500 nm. Microparticles –  0.5 µm to 500 µm and millimetre sized particles – 0.5 mm to 5 mm.     2.1.2.1. Drop impact of homogeneous suspension

Peters  et  al.  (2013)  studied  the  splashing  under  the  drop  impact  for  monodisperse  and  bidisperse dense suspensions onto a glass substrate. The suspensions were dispersions of water with  ZrO2  or/and  glass  particles  with  volume  fraction  from  0.59  to  0.65.  According  to  the  authors, 

splashing  onset  for  suspension  drops  was  not  correctly  described  by  the  Eq.  (2.1)  even  when  viscosity  of  liquid  was  substituted  by  effective  viscosity  estimated  via  the  formula  of  Krieger  and  Dougherty.  Therefore,  for  dense  suspensions,  Peters  et  al.  (2013)  proposed  a  splashing  criterion  based on an energy balance at the level of the particles in the suspension. The energy balance led to  particle‐based critical Weber number 

  (2.3) 

where    and    are  density  and  radius  of  particles,  respectively.  Peters  et  al.  (2013)  found  that 

(47)

suspensions  (suspensions  contain  two  type  of  particles  with  different  diameters).  The  proposed  splash  criterion  does  not  take  into  account  the  particle  wettability  and  shape.  In  addition,  the  authors did not specify the character of splashing. Nevertheless, the proposed splashing mechanism  assumes that it can happen far away from the drop contact line. This latter evidence, together with a  splashing  threshold  corresponding  to      14.3 2,  can  be  found  in  the  data  presented  in  [Marston, 2013]. 

Marston  et  al.  (2013)  investigated  the  spreading  and  splashing  of  26  mm  particle‐laden  drops on glass surface. The suspension was a dispersion of water and sand particles with diameters  of 350 µm. The particle volume fraction was 0.55. During drop splash, the speeds of particles ejected  were  ≈2  times  higher  than  the  impact  velocity.  The  authors  do  not  mention  about  splashing  character. However, from the images of drop splashing (Fig. 1, 4a in [Marston, 2013]), we conclude  that the splashing character was different from liquid without particles.  The impact did not create  corona and the particles detached from drop surface not only at contact line with the substrates, but  also at a distance. The splashing onset was in the interval of impact velocities from 1.35 o 1.86 m/s,  corresponding  to  the  particle‐based  Weber  number  11.7 22.3.  These  results  confirmed  the splashing criterion (Eq. (2.3)) proposed in [Peters, 2013]. In addition, the author found that the  spreading factors of the suspension grew as  /   at  1 similar to liquid without particles. The  spreading of dense suspension was studied also in [Lubbers, 2014]. 

(48)

Thus,  while  in  the  spreading  of  dense  suspension  drops  showed  some    similarity  with  the   pure liquid case when  1,  in the splashing case many differences persisted. The splashing onset  could not be described by the criterion of corona splashing and it does not depend on the substrate  roughness  as  well.  To  describe  the  splashing  onset,  the  particle‐based  critical  Weber  number  14 was proposed. However, it has not been checked for different particles wettability and  shapes.  

Differences in the particle‐laden drop impact respect ot pure liquids were also observed in  the  case  of  homogeneous  dilute  suspensions,  containing  nano‐  and  micro‐particles.  It  is  worth  to  note that no systematic study exist and only few occurrences have been observed. Drop impact of  suspension  with  nanoparticles  was  considered  on  heated  [Shen,  2008;  Murshed,  2011]  and  room  temperature  substrates  [Zang,  2013].  At  room  temperature,  only  the  complete  rebound  and  spreading dynamics were studied.  

(49)

Ueda et al. (2010) studied drop division during its complete rebound on a superhydrophobic  surface  for  water  with  and  without  calcium  carbonate  powder.  The  powder  particles  were  sticks  with  diameters  of  ≈100  nm  and  lengths  of  ≈2  µm.  The  particles  distributed  homogeneously  with  content of 1% and 10% by weight (Fig.2, 3 in [Ueda, 2010]). Ueda et al. (2010) found that for 10% by  weight of the particles drop division was suppressed during rebound. It was explained by  viscosity  increase.  The  results  also  show  that  1%  or  10%  by  weight  of  the  particles  does  not  suppress  the  rebound of aqueous suspensions at  25 and it was similar to the observations of [Zang, 2013]  for 2% by weight nanoparticles to water drops at Weber numbers in the range  0 150.  

The  changes  in  the  impact  dynamics  for  homogeneous  dilute  suspension  were  also  mentioned  in  works  of  [Shen,  2009]  and  [Lee,  2014],  but  many  questions  about  the  role  of  solid  particles remain either due to the way the experiments is performed or due to the way results are  elaborated.  For  example,  in  [Lee,  2014]  (Fig.4)  it  is  not  clear  the  choice  of  the  time  at  which  drop  contact  area  is  considered  as  maximum  despite  the  fact  that  it  continued  to  increase  thereafter.  Therefore, in these cases, the cause of changes in drop contact area is not clear. 

In  the  case  of  homogeneous  suspensions,  drop  impacts  were  studied  only  for  splashing,  complete  rebound  and  impact  dynamics.  Nevertheless,  it  is  not  clear  how  even  these  phenomena  depend on the particle volume fraction between 0.1 to 0.5, particles’ size, wettability and shape. The  drop  impact  was  also  considered  in  the  case  of  inhomogeneous  dilute  suspensions  with  microparticles. 

 

2.1.2.2. Drop impact of inhomogeneous suspensions

Références

Documents relatifs

Si l’étude de compaction de microsphères oxyde obtenues par ce procédé est actuellement menée dans le cadre de la thèse de Paul Parant, ce travail de

Ainsi, plus on approche d’un niveau qui a déjà constitué, dans le passé, un minimum de la courbe des cours (ici, le support à 200), plus la demande devient importante, tandis

We report herein the synthesis of two super-structured iron porphyrins holding in one case four amido groups (FeTPP-Am) and in another four urea functions (FeTPP-Ur) (Scheme 1)..

Pour r´esumer, nous consid´erons notre image comme form´ee de 2 classes : la premi`ere, qui repr´esente la quasi-totalit´e de l’image et qui est mod´elis´ee par un champ

For each electrode, three different values of current density were considered: the current density at −0.2 V/SCE measured on the reductive scan J−0.2V, the diffusion-limited

incommensurability) of human goals (see, e.g., Sen 1977; Nussbaum 1997; Nelson 2006); cost-benefit analyses for their failure to take into account the fact that costs and benefits

/ La version de cette publication peut être l’une des suivantes : la version prépublication de l’auteur, la version acceptée du manuscrit ou la version de l’éditeur. For

Amount of L -malic acid consumed (g/L) and L -lactic acid produced (g/L) during the enzymatic reaction in vitro performed at different pH in the presence of the 5–10 kDa fractions