Scaling laws of the maximum spreading factor for impact of nanodroplets on solid surfaces

雷诺数 缩放比例 毛细管数 韦伯数 标度律 物理 虚拟力 航程(航空) 机械 毛细管作用 经典力学 材料科学 几何学 热力学 数学 湍流 复合材料
作者
Yifeng Wang,Yibo Wang,Xin He,Ben-Xi Zhang,Yan‐Ru Yang,Xiaodong Wang,Duu‐Jong Lee
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:937 被引量:66
标识
DOI:10.1017/jfm.2022.115
摘要

This study investigates the dynamics of low-viscosity nanodroplets impacting surfaces with static contact angles from θ = 73° to 180° via molecular dynamics (MD) simulations. Two typical morphologies of impacting nanodroplets are observed at the maximum spreading state, a Hertz-ball-like in a low-Weber-number range and a thin-film-like in a high-Weber-number range. Only inertial and capillary forces dominate the impact for the former, whereas viscous force also becomes dominant for the latter. Regardless of morphologies at the maximum spreading state, the ratio of spreading time to contact time always remains constant on an ideal superhydrophobic surface with θ = 180°. With the help of different kinematic approximations of the spreading time and scaling laws of the contact time, scaling laws of the maximum spreading factor ${\beta _{max}}\sim W{e^{1/5}}$ in the low-Weber-number range (capillary regime) and ${\beta _{max}}\sim W{e^{2/3}}R{e^{ - 1/3}}$ (or ${\beta _{max}}\sim W{e^{1/2}}O{h^{1/3}}$ ) in the high-Weber-number range (cross-over regime) are obtained. Here, We , Re , and Oh are the Weber number, Reynolds number, and Ohnesorge number, respectively. Although the scaling laws are proposed only for the ideal superhydrophobic surface, they are tested valid for θ over 73° owing to the ignorable zero-velocity spreading effect. Furthermore, combining the two scaling laws leads to an impact number, $W{e^{3/10}}O{h^{1/3}} = 2.1$ . This impact number can be used to determine whether viscous force is ignorable for impacting nanodroplets, thereby distinguishing the capillary regime from the cross-over regime.
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