16414

16414

توسعه فرآيند ساخت و به كارگيري سطوح فوق آب گريز جهت كاهش پساي اصطكاكي

دكتري

تبديل انرژي

1390

آبان 1395

دكتر نوروز محمد نوري

مكانيك

بر اساس علم مكانيك سيالات مي توان نشان داد كه نيروي وارده بر يك صفحه تخت و افت فشار ايجادشده در يك كانال كاملاً ناشي از تنش برشي و يا نيروي اصطكاك سطحي است. در اجسام متقارن محوري نيز بخش عمده‌اي از نيروي پساي وارده به جسم (حدود 80 %)، نيروي پساي اصطكاكي است. در اين تحقيق هدف توليد و استفاده از سطوح فوق آب‌گريز جهت به‌كارگيري در كاهش پساي اصطكاكي مي‌باشد. اولين قدم در توليد سطوح فوق آب¬گريز در مقياس بزرگ توليد نانوذرات و ميكروذرات آب¬گريز مي¬باشد. بدين-منظور توليد پودرهاي آب¬گريز نانو لوله¬هاي¬كربني (CNT)، اكسيدسيليسيم (SiO2)، آلومينيوم فليك و آلومينيوم كروي در رساله حاضر انجام¬شده است. بعلاوه، به كمك مواد توليد شده، سطوح فوق آب¬گريز انعطاف¬پذير پليمري با قابليت تحمل فشار استاتيكي بالاتر از 4 بار، كه قابليت اتصال به زيرسطحي ها را دارا مي¬باشند، توليد شده اند. از خصوصيات اين سطوح قابليت توليد در مقياس هاي صنعتي بوده كه به كارگيري اين سطوح را در كاربردهاي عملي ممكن مي¬سازد. توليد لايه هاي كامپوزيتي فوق آب¬گريز از جنس پلي دي متيل سيلوكسان و نانوذرات آب گريز، بخش ديگري از رساله حاضر مي¬باشد. فيلم¬هاي كامپوزيتي توليد شده قابليت اجرا بر روي سطوح بزرگ با شكل هندسي پيچيده را نيز دارا مي¬باشند. همچنين پوشش¬دهي كامپوزيت فوق آب گريز بر پايه پاشش الكترواستاتيك، ديگر روش ابداع شده بوده كه توانايي توليد پوشش¬دهي سطوح با هندسه¬هاي پيچيده وسطح مقطع هاي بزرگ را به طور موثري فراهم مي كند. پس از ساخت سيستم اندازه گيري كاهش پسا و طول لغزش، رفتار كاهش پساي سطوح فوق آب‌گريز توليدشده مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج نشان دهنده آن است كه كاهش پساي اي سطوح حدوداً بين 13 درصد تا 43 درصد براي تنش‌هاي برشي بين 5/1 تا 25 پاسكال مي باشد. طول لغزش به‌دست‌آمده براي اين سطوح نيز بين 10 تا 50 ميكرون مي¬باشد. در بخش عددي رساله نيز شبيه سازي هاي مختلفي جهت ارزيابي كاهش پساي سطوح انجام شده است. از روش شبيه‌سازي گردابه¬هاي بزرگ جهت مدل‌سازي اثرات لغزش در جريان آشفته توسعه‌يافته كانال در رينولدزهاي اصطكاكي 180، 395 و 500 استفاده‌شده است. بررسي نتايج مولفه¬هاي نوساني سرعت، تنش رينولدز و مقدار كاهش پسا نشان‌دهنده آن است كه با افزايش تنش برشي جريان نوسانات آشفتگي، تنش رينولدز و مقدار كاهش پساي اصطكاكي كاهش بيش¬تري را خواهند داشت. همچنين شبيه‌سازي جريان روي ساختارهاي سطحي ميكرومتري در رينولدز اصطكاكي 180، نشان دهنده آن است كه در اثر لغزش شدت اين نوسانات كاهش يافته و مكان مربوط به مقدار حداكثر آن¬ها به نواحي نزديك¬تر به ديواره منتقل شده است. بررسي ورتكس¬هاي چرخشي مجاور ديواره نيز نشان مي¬دهد كه در اثر لغزش حركت رگه¬هاي كم‌سرعت جريان به نواحي نزديك‌تر به ديواره محدودشده و مكان حداكثر حضور ورتكس¬ها به ديواره داراي لغزش نزديك شده است. بعلاوه قدرت ورتكس¬ها نيز كاهش‌يافته است. بعلاوه در اثر لغزش توليد انرژي جنبشي آشفتگي كاهش‌يافته و استهلاك ناشي از لزجت افزايش‌يافته است. در انتها، بر اساس داده هاي تجربي حاصل از آزمايش، مدلي كاربردي جهت پيش بيني كاهش پساي اصطكاكي سطوح داراي لغزش توسعه داده شده است. واژه¬هاي كليدي: سطوح فوق آب‌گريز، سيلانيزيشن، الكترواستاتيك، كاهش پساي اصطكاكي، ساختارهاي منسجم جريان آشفته

1395/11/10

1/1/1900 12:00:00 AM

It is well known that the exerted force on a flat plate an​d the pressure drop in channels are related to wall shear stress. Also, in axisymmetric bodies much of the drag (about 80%) which is applied on the body is due to the wall shear stress. Fabrication of the superhydrophobic surfaces in the large-scale for frictional drag reduction is the main goal of this research. Presence of micron-sized structures on the surface is necessary part of the superhydrophobic fabrication. The important role of these structures in the static contact angle an​d sliding angle as the main characteristic of the superhydrophobic surfaces has been shown previously. In addition, the stability of the surface in front of the flow situation (shear stress an​d hydrostatic pressure) is mainly stems from these structures. Besides of the stability an​d complicated behaviors of the superhydrophobic surfaces there is a lack of simple an​d large scalable strategy in the fabrication of these surfaces. This issue restricts usage of the superhydrophobic surfaces for practical applications such as drag reduction of the underwater vehicles. In the present study, after eva​luation of different methods, two fabrication strategies are presented which they are meeting the requirements of the research: Fiber-based surfaces an​d composite coatings. Our experiments are shown that using the presented methods it is possible to fabricate superhydrophobic surfaces with static contact angle greater than 160º an​d sliding angle lower than 5º. The minimum stability of the surfaces in front of the water is around 7 days. Also, drag reduction of the fiber-based surfaces in the laminar channel flow are investigated. The results show that using these surfaces it is possible to achieve drag reduction of 13% to 43% at the wall shear stress of 1.5 Pa to 25 Pa. The slip lengths are 10 µm to 50 µm in the wall shear stress range. The hydrostatic pressures which are exerted on the surfaces are in the range of 5 to 15 m. Duration of the experiments is specially 30 min to 3 h, an​d 6 h in some experiments. Investigation of the superhydrophobic drag reduction mechanism is another part of the research. Large eddy simulation an​d Navier slip model are used to investigate the effects of slip on the fully developed turbulent channel flow friction reduction at frictional Reynolds number of 180, 395, an​d 500. Results show that decrease in the velocity fluctuations, Reynolds stress an​d surface friction are more affected by increasing flow shear stress. Also, due to slip the streamwise component of the vorticity field are weakened. In addition to Navier slip model, direct simulation of superhydrophobic surface structures on the turbulent quantities is another approach to investigate superhydrophobic drag reduction mechanism. So, to detect changes in the turbulent structures, we compared the no-slip an​d micro-structured superhydrophobic results. The comparisons were made for mean flow quantities, such as mean velocity profiles, drag reduction, slip velocity, an​d turbulence statistics. Further, spatial correlation coefficients, integral length scales, streamwise vortical structures, an​d streak instability were analyzed to explore the changes in the turbulent structures. The results show that the peak of the RMS of the fluctuating components an​d Reynolds stress are decreased an​d moved toward the wall. The outward motion of the lifted low-speed streaks is restricted to the lower wall layers, an​d the region of maximum production of streamwise vortices is shifted to the micro-structured wall. Comparison of coherent structures show that the density of near-wall coherent structures is reduced an​d the location of their maximum existence is shifted to the bottom wall. The results indicate that increased streak strength do not result in stronger generation of turbulence, while the Reynolds shear stress an​d streamwise vorticity are weakened. The quadrant analysis of Reynolds stress show that the stronger increase of the outward motion of high-speed fluid (Q1) an​d the inward motion of low-speed fluid (Q3), in comparison with ejection (Q2) an​d sweep (Q4), result in more viscous dissipation of turbulent kinetic energy an​d decrease the turbulence production. The correlation coefficients indicate that the spanwise distance of lifted low-speed streaks is increased. Comparisons of the results of Navier slip model an​d direct simulation of the surface structures shows that using Navier slip model the turbulent flow alternations could not be extract exactly. Hence, special consideration should be made if precise information of the turbulent flow alternations is required. Keywords: Superhydrophobic Surfaces; Silanization, Electrostatic Coating, Drag Reduction, Coherent Structures