Estudio del impacto de gotas sobre superficies sólidas

Abstract

En este trabajo se ha llevado a cabo un estudio experimental del impacto de gotas sobre una superficie de cristal seca y lisa. Este fenómeno se puede encontrar, por ejemplo, en procesos de recubrimiento de superficies, en el que se van formando distintas capas mediante la proyección de gotas a alta velocidad. El objetivo principal de la tesis es avanzar en el entendimiento de los mecanismos que intervienen en la formación de salpicaduras y en el atrapamiento de burbujas de aire que tienen lugar en estos tipos de impactos. Existe una falta de consenso en la comunidad científica en la determinación del límite entre los regímenes de deposición y salpicadura, basado en un número adimensional crítico, en impactos de gotas sobre superficies sólidas secas. Existen también dificultades en explicar fenómenos de atrapamiento de burbujas, que podrían estar a su vez relacionados con la aparición de salpicaduras. En el estudio se han realizado numerosos experimentos de impactos de gotas de distintos diámetros utilizando nueve líquidos con distintas propiedades fluidodinámicas. El proceso del impacto se grabó mediante el uso de una cámara de alta velocidad, lo que ha permitido un análisis detallado del proceso. Los resultados experimentales se han analizado para amplios rangos de los números adimensionales relevantes del problema, Reynolds y Weber, caracterizando cada impacto dentro de los regímenes de deposición y salpicadura, teniendo en cuenta además la existencia de distintos tipos de salpicaduras. A partir de estos resultados se han propuesto correlaciones para el límite deposición/salpicadura que han sido comparadas con otras disponibles en la literatura. Los resultados muestran que la formación de salpicadura se ve favorecida por la viscosidad en todo el rango de números de Reynolds estudiado. Por otro lado, se han analizado distintos tipos de salpicaduras que se han encontrado en los experimentos realizados y se ha propuesto una correlación entre números adimensionales que definen las condiciones límite para las que se forman salpicaduras con formación de gotas secundarias. En este caso, se ha encontrado que la formación de gotas secundarias se ve favorecida por la viscosidad en impactos con valores elevados del número de Reynolds, mientras que para valores bajos de Re la viscosidad inhibe la formación de gotas. Durante la realización de los experimentos y el análisis de sus resultados se ha tenido en cuenta y se ha estudiado la influencia de la forma de la gota en las características del flujo resultante tras el impacto. Este estudio ha puesto de manifiesto que dichas características dependen en gran medida de la evolución en los instantes iniciales del impacto, y ésta, a su vez, de la curvatura local de la gota en el punto de impacto. En el estudio de las gotas de líquidos con viscosidad elevada se han encontrado características especialmente interesantes. La aparición de nuevos fenómenos, algunos de ellos observados por otros autores pero otros nuevos, motivó la necesidad de definir de forma más precisa el concepto de salpicadura. Los impactos de gotas de líquidos de alta viscosidad dan lugar a atrapamiento de burbujas de distintos tamaños bajo ciertas condiciones de impacto. Mediante un nuevo esquema de iluminación utilizado en los experimentos ha sido posible observar las burbujas que son atrapadas durante el desparrame de la gota. Se ha estudiado la dependencia con los números adimensionales relevantes en el problema de los diámetros de dos anillos concéntricos de microburbujas que se forman durante el desparrame. Por último, se han caracterizado los distintos mecanismos de atrapamiento de burbujas que tienen lugar durante el desparrame, y se ha propuesto una conexión entre el atrapamiento de burbujas y la formación de salpicadura para estos líquidos.