26694

تحليل رفتار ديناميكي قطره در محيط متخلخل با رويكرد مقياس حفره و استفاده از روش شبكه بولتزمن

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1397

1400/8/30

مجيد سياوشي، ساسان آسيايي

مهندسي

در سال‌هاي اخير شناخت رفتار ديناميكي قطره روي سطوح جامد بخاطر كاربردهاي وسيع در فرآيندهاي طبيعي و صنعتي مانند سطوح خود تميز شونده، سطوح ضد يخ، ابزار بيومكانيك مانند آزمايشگاه روي تراشه، صنعت نساجي و دستگاه‌هاي الكترونيكي، بسيار مورد توجه قرار گرفته است. اين مطالعه با هدف تحليل رفتار ديناميكي قطرات روي سطوح متخلخل براي بررسي تأثير الگوهاي سطحي گوناگون بر زاويه تماس قطرات آب براي توليد سطح آبگريز و تاثير توپوگرافي سطح بر آساني حركت قطرات روي سطوح شيب دار انجام شده است. بر اين اساس از روش شبكه بولتزمن مبتني بر حجم سيال با استفاده از نرم افزار متن باز پالابوس و توسعه اين روش براي بهبود دقت و كاهش محدوديت در نسبت چگالي و لزجت و سرعت‌هاي مجازي استفاده شده است. علاوه بر آن يك تحقيق آزمايشگاهي در مورد برخورد قطره آب با سطح به منظور بررسي ترشوندگي سطوح براي تاييد نتايج شبيه‌سازي عددي انجام شده است. نتايج نشان مي‌دهد تنها با تغيير توپوگرافي سطح مي‌توان زاويه تماس را تا تقريباً 40 درصد افزايش داد و به سطح آبگريز رسيد. سطوح مختلف آبگريز ميكرو ستون‌دار براي افزايش آساني حركت قطرات بر روي سطح شيب دار طراحي شده و تأثير سه عامل: 1- زاويه تماس، 2- سطح تر شده و 3- انرژي سطح بر رفتار لغزشي قطرات مورد بررسي و ارائه قرار مي‌گيرد. نتايج اين مطالعه نشان مي‌دهد كه روش نوين شبكه بولتزمن مبتني بر حجم سيال مي‌تواند در نسبت چگالي و لزجت بسيار بالا كارآمد باشد كه امكان شبيه سازي مسائل واقعي با دقت قابل قبول را فراهم مي‌كند. همچنين اين روش 19 برابر نسبت به مدل اصلي شان و چن سرعت‌هاي مجازي در سطح مشترك سيال را كاهش مي‌دهد. علاوه بر اين سطح آبگريز ميكرو ستون‌داري طراحي و مهندسي شده است كه باعث مي‌شود قطره حدود 12 درصد سريعتر از قطره روي سطح صاف حركت كند.

1401/04/07

Analysis of dynamic behavior of droplet in porous media with pore scale approach and using lattice Boltzmann method

11/21/2022 12:00:00 AM

To study the wettability of solid surfaces and include the droplets’ dynamic behavior, a volume of fluid-based lattice Boltzmann method (VOF-LBM) is developed, using the open-source parallel lattice Boltzmann solver library (Palabos). This improves the accuracy and diminishes limitations on the density and viscosity ratios and the outcoming spurious velocities. An experimental study is performed, and the numerical results are verified through comparison with experimental data. Next, to design novel hydrophobic surfaces with pillar structures, the effect of different pillar patterns and topographies on the contact angle of water droplets and the droplet motion over an inclined surface are investigated. Hydrophobic micro-pillar surfaces are designed to enhance the ease of droplets movement on the slope. The effect of three factors: contact angle, wetted area, and surface energy on the sliding behavior of droplets is examined and presented. Results indicate that the new VOF-LBM method can simulate high density and viscosity ratios, allowing real-world problems to be simulated with appropriate accuracy. This reduces the spurious velocities produced at the fluids interface by 19 times compared to the Shan and Chen method. Also, a hydrophobic micro-pillar surface is designed in which the droplet moves nearly 12% faster than the flat surface.

روش شبكه بولتزمن , رفتار ديناميكي قطره , سطح آبگريز , زاويه تماس , توپوگرافي سطح

lattice Boltzmann method , dynamic behavior of droplet , hydrophobic surface , contact angle , surface topography

Saleh Mohammadrezaei

Majid Siavashi, Sasan Asiaei