بررسی تجربی برخورد ذره کروی آب‌گریز با سطح مشترک هوا - آب

فیلم فلوتاسیون یک روش برای جداسازی ذرات معدنی آب‌گریز از ذرات آب‌دوست است. در این مقاله به منظور شبیه‌سازی این روش، برخورد ذرات آب‌گریز کروی با سطح مشترک هوا – آب، مورد آزمایش قرار گرفت. هدف پژوهش حاضر، به دست آوردن سرعت بحرانی برخورد است که ذره آب‌گریز در آن روی سطح مایع شناور می‌ماند طوریکه در سرعت‌های بالاتر از سرعت بحرانی به طور کامل در مایع نفوذ می‌کند. برای پیش‌بینی سرعت بحرانی، یک مدل ریاضی بر اساس موازنه انرژی ارائه شده است. ذرات از جنس تفلون در اندازه‌های 3 – 5 میلی‌متر مورد استفاده قرار گرفتند. از آب مقطر با چگالی 1000/71 kg/m3 به عنوان سیال آزمایش استفاده شد. با استفاده از یک دوربین پرسرعت 4500 فرم در ثانیه، سقوط ذرات در مایع عکس‌برداری شد. از آزمایش‌ها برای ذرات کروی آب‌گریز تفلون دو رژیم شناوری و نفوذ مشاهده شد و سرعت‌های بحرانی برای همه اندازه‌ها محاسبه گردید و پس از پردازش تصاویر متوالی چگونگی حرکت ذره درون سیال به دست آمد. برای اولین بار ماکزیمم عمق نفوذ، عمق برگشتی، ارتفاع برگشتی و عمق شکست برای هر ذره تعیین شد و از مقایسه آ نها مشخص شد که در سرعت‌های بحرانی و نزدیک آن نفوذ ذره با نوساناتی همراه است و هرچه سرعت از مقدار بحرانی بیشتر شود تعداد نوسانات کاهش یافته تا این که در سرعت‌های بالاتر، ذره بدون هیچ نوسانی از سطح مایع جدا می‌شود. وابستگی ماکزیمم عمق نفوذ به ارتفاع سقوط مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که با افزایش ارتفاع سقوط، ماکزیمم عمق نفوذ نیز افزایش می‌یابد. همچنین به بررسی تاثیر اندازه ذرات بر سرعت بحراتی پرداخته شد و مشاهده شد که با افزایش اندازه ذرات سرعت بحرانی کاهش می‌یابد. علاوه براین تغییرات سرعت ذره و سرعت خط تماس سه فازی طی نفوذ در سیال در شرایط بحرانی رسم شد. مشاهده شد سرعت ذره در حین نفوذ، کاهش می‌یابد تا اینذکه در بیشترین عمق نفوذ، به صفر می‌رسد و ذره شروع به حرکت به سمت بالا می‌کند. در حین حرکت به سمت بالا، مقدار سرعت تا رسیدن به یک مقدار ماکزیمم افزایش یافته و مجددا کاهش می‌یابد و ذره تا یک ارتفاع مشخص پیش می‌رود تا این که در نهایت سرعتش به صفر می‌رسد و نیروی گرانش، ذره را دوباره به سمت پایین هدایت می‌کند. مدل ریاضی توسعه داده شده با مشاهدات آزمایش مقایسه شد و مشخص شد که در محدوده مدل‌سازی با مقادیر داده‌های به دست آمده هم‌خوانی خوبی دارد.

Experimental Study of Impacting a Spherical Hydrophobic Particle on an Air-Water Interface

In this study,  the impact of spherical hydrophobic particles on an airwater interface  was analyzed experimentally. The aim of this study is to obtain a critical impact velocity in which the hydrophobic particle remains on the liquid surface so that it penetrates completely at higher velocities than the critical velocity. A mathematical model was developed based on energy balance to predict the critical velocity. The Teflon particles of diameter 35 mm were used. Distilled water with a density of 1000.71 kg/m3 was used as the fluid. Particle falls into the fluid were captured by using a highspeed video camera with the rate of 4500 fps. For Teflon spherical hydrophobic particles, two floatation and penetration regimes were observed from experiments. After processing of sequential images, the motion of a particle inside the fluid was obtained and for the first time, the maximum penetration depth, rebound depth, rebound height and the pinch off depth were determined for each particle and it was found that, at critical velocities, particle penetration is associated with oscillations, and at higher velocities than the critical number, the number of oscillations is decreased. The dependence of maximum penetration depth on drop height was studied and it was found that with increasing drop height, the maximum penetration depth is also increased. Also, the effect of particle size on critical velocity was investigated and it was observed that with increasing the particle size, the critical velocity is decreased. In addition, the particle velocity and the velocity of the threephase contact line were plotted at critical conditions. The developed mathematical model was also compared with the experimental observations, and it was found that there is a good agreement with the measured values.