潘國隆臺灣大學:機械工程學研究所曾煜仁Tseng, Yu-JenYu-JenTseng2010-06-302018-06-282010-06-302018-06-282008U0001-2407200814225300http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/187309本次的實驗中，利用不同歐氏數的工作流體進行雙液滴碰撞的實驗，此次實驗皆為正向對撞也就是碰撞參數為零下的碰撞。實驗主要的目的在觀察液滴碰撞後產生的現象及探討其物理機制。此外，實驗中嘗試發展有別於利用氣壓缸噴出液柱並利用轉動圓盤截斷液柱產生高速液滴的設備，使用較為簡單的構想，利用高速的氣體帶動液滴，使液滴跟隨高速氣體流動進而達到高速的目的。 實驗重點為拍攝清楚的液滴碰撞現象，無論是低韋伯數區或是高韋伯數區。實驗能達到的韋伯數大約為5100，另一方面討論不同的歐氏數對於液滴碰撞的影響。 在高速液滴的碰撞下，會有破裂的情況發生，利用歐氏數，韋伯數及W(此無因次參數定義為產生破裂盤寬直徑除以液滴直徑)描繪出破裂盤寬趨勢線，破裂現象邊界趨勢線及飛濺現象邊界趨勢線。鍵字：液滴碰撞，高速液滴，碰撞參數，歐氏數，韋伯數。In this study, we investigate the phenomena of droplet-droplet collision with different Ohnesorge number in a head-on collision condition, i.e., the impact number is zero. It aims at observing the phenomena of droplet collision and discussing the physical phenomena of that under a head-on situation. In addition, we try to find a different way from the original one to generate high-speed droplets. Instead of using a compressor to inject a liquid jet and then cutting it off into several droplets by a rotating disk, we simply let the accelerating air move through a tube and carry the droplets into high speed.ne of the main goals of this experiment is to take clear photographs whether in lower Weber number or in higher one. The other is to achieve a relative high Weber number about 5100. On the other hand, we discuss how Ohnesorge number influences the droplet collision. Break-up phenomenon is observed in high-speed droplet collision. The Z-We and We-W figures which illustrate the trends of break-up diameter, break-up boundary, and splattering boundary are also obtained in this thesis, where Z indicates the Ohnesorge number and W is the non-dimensional parameter of the diameter of droplet with respect to the break-up diameter.eywords: droplet collision, high-speed droplet, impact number, Ohnesorge number, Webber number本文目錄文摘要 I文摘要 III文目錄 V表目錄 Ⅶ號說明 XI 一 章 緒論 1-1 前言 1-2 文獻回顧 2-2-1 液滴產生方式 2-2-2 液滴碰撞的現象發展 5-3 研究動機及目的 7 二 章 實驗設備裝置 8-1 液滴產生裝置 8-1-1 慢速、高速液滴產生方式 8-1-2 液滴產生器 9-1-3 噴嘴 9-1-4 電子控制裝置 10-1-5 流體加速裝置 10-2 影像拍攝系統 11-3 影像處理軟體 12-4 其他儀器 13 三 章 實驗方法回顧、步驟與基礎理論 15-1 實驗方法回顧 15-1-1 實驗設備測試 15-1-2 實驗液滴大小選定 15-1-3 完整實驗裝置 16-2 實驗步驟 17-2-1 實驗操作與拍攝 17-2-1-1 調配不同歐式數之水溶液 17-2-1-2 慢速液滴之對撞操作 18-2-1-3 高速液滴之對撞操作 19-2-2 實驗數據讀取與分析 20-2-2-1 實驗數據讀取 20-2-2-2 實驗誤差分析 21-3 基礎理論 22-3-1 液滴拉伸斷裂理論 22-3-2 液滴碰撞理論 23 四 章 結果與討論 25-1 流體加速裝置與前人的比較 25-2 結合 ( Coalescence ) 26-3 分離 ( Separation ) 27-4 分離產生衛星液滴 ( Separation with satellite) 27-5 指狀 ( Fingering ) 28-6 指狀分離 ( Fingering with Separation ) 28-7 破裂 ( Break up ) 29-8 飛濺 ( Splattering ) 30-9 最大擴張直徑的比較 30-10 液滴尺寸的影響 31-11 總結 31 五 章 結論與未來展望 34論 34來展望 35考文獻 36 表 41表目錄 2-1 實驗裝置簡圖 41 2-2 實驗裝置全貌 42 2-3 液滴產生器 42 2-4 未磨過的玻璃噴嘴 43 2-5 由左至右 孔徑為0 μm、329 μm、525 μm 43 2-6 電子控制裝置 (Control Box) 44 2-7 流量計 44 2-8 CCD (Awon KMS-63A2H) 45 2-9 高速射影機 (X-StreamTM VISION，型號為XS-4) 45 2-10 同步LED燈 46 2-11 Nikon (AF MICRO NIKKOR 105 mm 1：2.8) 46 2-12 TAMARO (SP AF Di 90 F/2.8 Di MARCO) 47 2-13 Computar MLH-10X 47 2-14 MotionPro X Stuido 操作介面 (圖為比例尺刻度) 48 2-15 探針式表面張力計 (Kibron Inc. EZ-Pi) 48 2-16 黏度計 (BROOF-LELD DIGITAL VISCOMETER MODEL DV-E) 49 2-17 電子秤 49 2-18 超音波震盪儀 50 3-1 漸縮加速管 51 3-2 流量為325 L/min 於下游33 cm處壓力分佈圖，y=0時為管中央 52 3-3 流量為325 L/min 於下游33 cm處速度分佈圖，y=0時為管中央 52 3-4 Ｄ= 2 mm，Ｖwind= 18.000 m/s，液滴變形成袋狀後破裂。(液滴位置於下游處才開始變形) 53 3-5 流量為900 L/min於上游27.5cm與28.5cm處壓力分佈圖，y=0時為管中央 54 3-6 流量為900 L/min於上游27.5 cm處速度分佈圖，y=0時為管中央 54 3-7 Ｄ= 2 mm，Ｖwind= 47.770 m/s，液滴變形成水母狀後破裂。(液滴位置於上游處便開始變形)，由於在縮口處的地方形狀較為複雜，所以於圖上在縮口處的地方有反射了一些變形的工作流體。 55 3-8 阻氣盒與液滴產生器 56 3-9 液滴拉身斷裂圖 (Qian與Law(1997)) 56 3-10 雙液滴撞擊圖 (Jiang et al(1992)) 57 3-11 一大氣壓下，水類液滴撞擊現象與Ｂ、We關係圖(Qian與Law(1997)) 57 3-12 一大氣壓下，碳氫油料液滴撞擊現象與Ｂ、We關係圖(Qian與Law(1997)) 58 4-1 Heptane 於Ｗe =14，Re=892，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=0.821 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 59 4-2 Water 於Ｗe =15，Re=864，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=1.235 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 60 4-3 Nonane 於Ｗe =15，Re=610，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=0.864 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 61 4-4 Glycerin 40% 於Ｗe =15，Re=168，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=1.126 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 62 4-5 Glycerin 57% 於Ｗe =27，Re=113，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=1.498 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 63 4-6 Heptane 於Ｗe =25，Re=1155，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=1.063 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 64 4-7 Water 於Ｗe =23，Re=1080，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=1.543 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 65 4-8 Nonane 於Ｗe =24，Re=754，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=1.069 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 66 4-9 Glycerin 40% 於Ｗe =34，Re=260，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=1.742 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 67 4-10 Glycerin 57% 於Ｗe =46，Re=149，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=1.967 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 68 4-11 Heptane 於Ｗe =42，Re=1509，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=1.389 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 69 4-12 Water 於Ｗe =58，Re=1712，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=2.446 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 70 4-13 Nonane 於Ｗe =53，Re=1138，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=1.613 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 71 4-14 Glycerin 40% 於Ｗe =62，Re=352，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=2.354 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 72 4-15 Glycerin 57% 於Ｗe =70，Re=184，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=2.431 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 73 4-16 Water 於Ｗe =105，Re=2035，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=2.907 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 74 4-17 Glycerin 40% 於Ｗe =135，Re=519，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=3.471 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 75 4-18 Glycerin 57% 於Ｗe =108，Re=226，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=2.975 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 76 4-19 Water 於Ｗe =220，Re=3329，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=4.757 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 77 4-20 Nonane 於Ｗe =433，Re=3241，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=4.593 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 78 4-21 Glycerin 40% 於Ｗe =755，Re=1228，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=8.208 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 79 4-22 Glycerin 57% 於Ｗe =910，Re=662，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=8.722 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 80 4-23 Glycerin 40% 於Ｗe =790，Re=1256，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=8.398 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 81 4-24 Hexanol 於Ｗe =833，Re=765，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=6.612 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 82 4-25 Glycerin 57% 於Ｗe =979，Re=687，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=9.050 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 83 4-26 Heptane 於Ｗe =750，Re=6592，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=6.065 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 84 4-27 Water 於Ｗe =285，Re=3791，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=5.417 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 85 4-28 Water 於Ｗe =685，Re=5879，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=8.398 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 86 4-29 Water 於Ｗe =968，Re=6985，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=9.979 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 87 4-30 Nonane 於Ｗe =540，Re=3620，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=5.130 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 88 4-31 Nonane 於Ｗe =871，Re=4594，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=6.510 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 89 4-32 Propanol 於Ｗe =809，Re=1671，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=6.271 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 90 4-33 Propanol 於Ｗe =1173，Re=2095，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=7.860 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 91 4-34 Glycerin 40% 於Ｗe =837，Re=1294，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=8.645 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 92 4-35 Glycerin 40% 於Ｗe =1149，Re=1516，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=10.127 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 93 4-36 Hexanol 於Ｗe =2225，Re=1251，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=10.808 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 94 4-37 Glycerin 57% 於Ｗe =1303，Re=793，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=10.440 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 95 4-38 Water 於Ｗe =4983，Re=15845，Ｄ=0.70 mm，Ｖ=22.640 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 96 4-39 Hexanol 於Ｗe =4219，Re=1722，Ｄ=0.65 mm，Ｖ=14.880 m/s，下之液滴撞擊時序圖。 97 4-40 工作流體若是在剛撞擊的瞬間有小顆的衛星液滴飛濺出來，此現象就稱為Splattering。 98 4-41 破裂盤寬趨勢圖 (Ｗ=w / D) 99 4-42 最大盤寬預測趨勢圖 100 4-43 不同尺寸的純水液滴尺寸現象邊界，由上而下Ｄ分別為0.5 mm、0.7mm、1 mm 100 4-44 各工作流體現象發生邊界 101 4-45 工作流體Separation邊界，歐式數與韋伯數關係圖 102 4-46 工作流體Break up、Splattering boundary及最大破裂盤寬趨勢圖。 1024-47 破裂趨勢圖中 與歐氏數之關係圖 103　錄　一 104　錄　二 105格一 105格二 105格三 106格四 106格五 10711291394 bytesapplication/pdfen-US液滴碰撞高速液滴碰撞參數歐氏數韋伯數droplet collisionhigh-speed dropletimpact numberOhnesorge numberWebber numberthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/187309/1/ntu-97-R95522317-1.pdf