利用碰撞角度控制液滴在同質液面上的回彈行為

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题名:	利用碰撞角度控制液滴在同質液面上的回彈行為
作者:	張閔哲;Chang, Min-Che
贡献者:	土木工程學系
关键词:	液滴;韋伯數;碰撞角度;膜厚;回彈;部分結合;結合;恢復係數;Droplet;weber number;impact angle;film thickness;bouncing;partial merge;merge;coefficient of restitution
日期:	2025-07-24
上传时间:	2025-10-17 11:05:32 (UTC+8)
出版者:	國立中央大學
摘要:	本研究以實驗探討水與正癸烷兩種液滴在碰撞同質液膜時，不同膜厚與碰撞角度對碰撞結果及動力之影響。實驗利用高速攝影機擷取影像，並以MATLAB分析碰撞過程的速度和角度，最後比較液滴碰撞前後的速度差距。實驗結果顯示，液滴碰撞角度對碰撞結果(回彈、完全結合及部分結合)具有顯著影響，並因液體表面張力不同而產生明顯差異。水液滴在各條件下未出現回彈現象，而正癸烷液滴則會在特定碰撞角度與韋伯數組合下回彈。此外，完全結合的臨界韋伯數隨碰撞角度減小時，水液滴呈隨膜厚增加而上升的趨勢，正癸烷液滴則相反。對正癸烷而言，當膜厚較薄時，部分結合型態的出現區間有擴大傾向，且呈現非單調變化；在極低碰撞角度與高韋伯數下亦可觀察到持續回彈行為，進一步比較發現隨著碰撞角度的減小，深池條件下回彈所需之臨界韋伯數明顯高於薄膜條件。本研究亦分析恢復係數與速度分量的變化趨勢，結果顯示，恢復係數會隨碰撞角度增加而降低，並於約 45度趨於穩定，液膜越厚則穩定值越低。此外，切向與法向速度比會隨碰撞角度改變而改變回彈角度，在小碰撞角度下，液滴於切向方向幾乎無明顯動能耗損，導致回彈角度接近碰撞角度;在中等碰撞角度，因無因次法向出射速度在不同膜厚的差異性，導致膜厚越厚液滴的回彈角度將顯著小於碰撞角度;在垂直入射條件下，回彈行為則完全由法向速度主導。而在不同分量的動能損失比例中還發現到液膜厚度不會影響碰撞角度對各速度分量的能量損失佔比。綜合而言，本研究確認了膜厚與碰撞角度會共同影響液滴動能耗散與回彈行為，並指出在小角度範圍內，恢復係數更易受到韋伯數的影響，特別是在厚膜(深池)條件下。;This study experimentally investigates the impact behavior of water and decane droplets on same-liquid films under varying film thicknesses and impact angles. Using high-speed imaging and MATLAB analysis, droplet velocities and angles before and after impact were quantified. Results show that impact angle strongly influences collision outcomes—rebound, total coalescence, and partial coalescence—with clear differences due to surface tension. Water droplets never rebounded, while decane droplets rebounded under specific Weber numbers and angles. For water, the critical Weber number for total coalescence increased with film thickness at lower angles, whereas it decreased for decane. Partial coalescence of decane appeared over a wider range in thinner films and followed a non-monotonic trend. Recovery coefficient analysis revealed a decrease with increasing angle, stabilizing around 45°, with thicker films showing lower values due to greater energy loss. At low angles, rebound was dominated by tangential velocity; at high angles, by normal velocity. In mid-angle impacts, both components influenced rebound, and thicker films caused greater deviation due to lower normal rebound speeds. Notably, film thickness did not significantly affect the distribution of energy loss between tangential and normal directions. In conclusion, film thickness and impact angle jointly determine droplet rebound and energy dissipation behavior, especially under low-angle and thick-film (deep pool) conditions.
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