Studio numerico tridimensionale dell'impatto di gocce su film liquido sottile con traiettoria non perpendicolare

This work presents a numerical investigation of the impact of a single drop on a thin liquid film with the drop velocity non-normal with respect to the free surface. The aim is to describe the dynamics of the impact and find a value of the impact angle which defines the limit between spreading and splashing. The former indicates the deposition of the drop over the liquid film, while the latter is characterized by the formation of a crown shape whose motion is governed by inertial, surface tension and viscous dissipation effects. The limit between the two regimes corresponds to a value of the impact angle equal to 40°. At minor impact angles there is the formation of a ship's prow-like structure, while at higher angles the crown originates. The software used is part of the open-source computational fluid dynamics (CFD) suite OpenFOAM which implements the Volume-Of-Fluid (VOF) method for dealing with multiphase fluxes. The simulations are realized in three-dimensional geometry using a dynamic mesh refinement technique, localized around the gas-liquid interface. This allows a strong reduction in computational costs with respect to the use of uniform meshes. The characteristic parameters of the phenomenon in exam are the crown radius and height. In oblique impacts the crown presents a strong asymmetry, so it is not possible to define a unique referential radius. For this reason, a new parameter of characterisation is introduced. This is the trajectory of the gravity centre of the liquid mass which rises after the impact. Besides it is calculated the quantity of liquid with velocity higher than a known one. This is important to establish the fluid fraction which spreads over the film surface and the one which leaves the simulated domain. To verify the accuracy of the numerical method here used, a comparison is done with experimental results dealing with normal impacts. The agreement is very good and, in particular, the description of the first moments after the impact is adequately achieved.

Nel presente lavoro di tesi viene condotta un'analisi numerica di impatto di una singola goccia su film liquido sottile con traiettoria di caduta non perpendicolare alla superficie libera. Lo scopo è quello di descriverne la dinamica e definire un valore di angolo di impatto che determini la transizione tra il regime di spreading e quello di splashing. Il primo regime indica la deposizione della goccia sulla superficie del film di base, mentre lo splashing prevede la formazione di una struttura a corona il cui sviluppo è influenzato dagli effetti di inerzia, tensione superficiale e dissipazione viscosa. Il limite tra i due regimi corrisponde ad un valore dell'angolo di impatto pari a 40°. Per angoli di impatto inferiori si osserva la formazione di una struttura a forma di prua di nave, mentre per angoli superiori si ha la nascita della corona. Il codice utilizzato appartiene alla suite open-source per fluidodinamica computazionale OpenFOAM e implementa la metodologia Volume-Of-Fluid (VOF) per flussi multifase. Le simulazioni sono realizzate in geometria tridimensionale utilizzando una tecnica di raffinamento dinamico di griglia localizzato in prossimità dell'interfaccia gas-liquido, ottenendo così una forte riduzione del costo computazionale rispetto all'utilizzo di griglie uniformi. Le grandezze caratteristiche del fenomeno in esame sono rappresentate da raggio e altezza della corona. Poiché nel caso di impatti obliqui la corona presenta una forte asimmetria non è possibile definire un unico raggio di riferimento. Per tale motivo viene introdotto un nuovo parametro di caratterizzazione, ovvero la traiettoria del baricentro della massa di liquido che viene sollevata in seguito all'impatto. Inoltre si determina la quantità di liquido avente velocità maggiore di una data al fine di stabilire la percentuale di fluido che si deposita sul film di base e quella che lascia il dominio simulato. Al fine di verificare l'accuratezza del codice di calcolo utilizzato, viene eseguito un confronto con dati sperimentali relativi ad impatti con direzione della velocità normale al film liquido. L'accordo è molto buono e, in particolare, la descrizione dei primi istanti successivi all'impatto viene riprodotta con un alto grado di accuratezza.