Three-dimensional direct simulation of a droplet impacting onto a solid sphere with low-impact energy

Authors


Abstract

In this paper, a numerical model is developed for direct simulation of droplet impinging onto a spherical surface on a fixed Eulerian mesh. The model couples the level-set method and the interfacial cell immersed boundary method to the single-fluid formulation of the Navier–Stokes equations which are solved by a finite-volume projection technique. Moving contact lines are modelled here with a simple static contact angle model. The model is shown to converge, and to agree with previous work in the literature. The model is then applied to investigate the impact behaviour of a droplet onto solid sphere of different diameters at low Weber number and low Reynolds number. The simulation results show that the droplet used in present study seems to deposit on different spherical surfaces through oscillating. The simulated results also suggest that the impacted-sphere size has a significant effect on the impact dynamics of the droplet. A local breakage phenomenon may be found in the centre of the droplet collision with a smaller sphere during the first recoiling stage. A regime map is then established to provide quantitative analysis for the breakage mode of the current impacting process.

Abstract

Dans ce document, un modèle numérique est créé pour une simulation directe de gouttelette qui affecte une surface sphérique sur une maille eulérienne fixe. Le modèle associe la méthode level-set et la méthode de frontière immergée pour cellules interfaciales à la formulation monofluide des équations de Navier–Stokes qui sont résolues par une technique de projection à volume fini. Des lignes de contact mobiles sont modelées ici avec un modèle d'angle de contact statique simple. Le modèle a démontré une convergence et correspond aux travaux précédents dans la littérature. Le modèle est ensuite appliqué pour analyser le comportement d'impact d'une gouttelette en sphère solide de diamètres différents à un nombre Weber bas et un nombre Reynolds bas. Les résultats de simulation indiquent que la gouttelette utilisée dans l'étude semble se déposer sur différentes surfaces sphériques par oscillation. Les résultats simulés suggèrent également que la taille de la sphère touchée a un effet considérable sur la dynamique d'impact de la gouttelette. On peut trouver un phénomène de rupture local au centre de la collision de la gouttelette avec une sphère plus petite au cours de la première étape de recul. Une carte de régime est alors établie pour fournir une analyse quantitative pour le mode de rupture du processus d'impact actuel.

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