شماره ركورد
34440
پديد آورنده
سيد رضا حسيني
عنوان
مطالعه رفتار ديناميكي و انجماد قطرات فوق سرد در برخورد با سطوح جامد
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك - گرايش تبديل انرژي
سال تحصيل
1395
تاريخ دفاع
1403/11/17
استاد راهنما
دكتر نوروز محمد نوري - دكتر مهدي مقيمي
استاد مشاور
-
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
برخورد يك قطره فوق سرد بر روي سطح چالش اصلي بسياري از فرآيندهاي صنعتي و هوانوردي است. در بخش اول اين پژوهش سعي شده است كه اثر مورفولوژي سطح بر روي ديناميك قطره برخوردي و جدايش آن از سطح مورد بررسي قرار گيرد. همچنين به بررسي اثر تغييرات عدد وبر و اثر تغييرات دماي فوق سرد بودن قطره نيز پرداخته شده است. در بخش اول، شبيه سازي برخورد قطره فوق سرد و انجماد آن با به¬كارگيري روش حجم سيال و با استفاده از زاويه تماس ديناميكي در 20 حالت مختلف انجام شده است. دماي سطح در كليه شبيه سازي¬ها ℃30- بوده است. در نهايت مشخص گرديد كه در محدوده¬ عدد وبر از 19 تا 50، در صورتي كه دماي فوق سرد قطره بيشتر از 266 كلوين باشد و عرض شيارها كمتر از mm 0.21 باشد، اين تضمين وجود دارد كه قطره پس از برخورد، از سطح جدا شود. در بخش دوم اين پژوهش، پارامتر جريان هواي عرضي و تغيير چيدمان پيلارها نيز به مسئله اضافه شده است. چرا كه در برخي موارد، مانند پرههاي توربين بادي، برخورد قطرات فوق سرد در هواي ساكن رخ نميدهد. در ادامه براي اولين بار، اثرات جريان عرضي هوا بر رفتار حرارتي سيال يك قطره فوق سرد به صورت عددي بررسي گرديده است. همچنين اثرات تغيير چيدمان پيلارهاي روي سطح فوق آب گريز بررسي شد. در مجموع نتايج 24 شبيه سازي سه بعدي در نرم افزار ANSYS Fluent مورد تحليل قرار گرفت و با هم مقايسه گرديد. روش حجم سيال براي شبيه سازي جريان چند فازي انتخاب شده است. مدل انجماد با روش در نظر گرفتن دماي فوق سرد بهبود يافته است. نتايج نشان ميدهد كه سرعت جريان عرضي زمان جداشدن قطره را به صورت تصاعدي كاهش ميدهد و به جدايش قطره از سطح قبل از شروع انجماد كمك ميكند. با اين حال، افزايش بيش از حد در سرعت جريان عرضي اثر معكوس دارد و ممكن است از جدا شدن قطره به دليل نيروي درگ قابل توجه جلوگيري كند. بهترين مقدار سرعت جريان عرضي m/s 8 است كه زمان جداشدن را به صورت تصاعدي از ms 16.3 به ms 12.5 براي يك سطح سرد با الگوي پيلار ساده كاهش ميدهد. زمان جداشدن كاملاً تحت تأثير شرايط شبيهسازي است و مي تواند از ms 29.2 در حالت عادي به ms 11.85 در بهترين حالت كاهش يابد كه مقدار كاهش بسيار قابل توجهي است. حداكثر نرخ پخش شدگي قطره، برخلاف زمان جداشدن قطره، به طور جدي تحت تأثير درصد فضاي خالي سطح پيلاردار قرار دارد و از 1.53 تا 1.69 متغير است.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/16
عنوان به انگليسي
Investigation of the dynamic behavior and freezing of supercooled droplets in collision with solid surfaces
تاريخ بهره برداري
1/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سيد رضا حسيني
چكيده به لاتين
The impact of a supercooled droplet on a surface is a primary challenge of many industrial and aeronautical processes. In the first part of this study, we investigated the effect of surface morphology on the impacting-freezing process of a supercooled droplet. Also, the variations of Weber number and supercooling temperature were studied numerically. The droplet impact and freezing process were simulated with the volume of fluid method and freezing model. A more accurate simulation was achieved by modeling the supercooled droplet and the dynamic contact angle. At the given ranges of the input parameters, the main factors that guaranteed droplet rebounding after collision were determined. The supercooling temperature and the groove width should be above 266 K and less than 0.21 mm, respectively. The droplet should also maintain its cohesion and integrity during impact. Creating grooves on a surface is novel and paves a new way to understand the impact and solidification of water droplets in supercooled conditions. In the second part of this study, for the first time, the effects of the air transverse flow (ATF) on the thermal-fluid behavior of a supercooled droplet were investigated numerically. Also, different patterns of a superhydrophobic pillared surface were used in 24 three-dimensional simulations in ANSYS Fluent software. The volume of fluid method is chosen for the simulation of the multiphase flow. The ATF forces, the freezing effects, and the surface tension forces are included in the Navier-Stokes equations. The freezing model is improved by the supercooling temperature consideration method. The results show that the ATF velocity reduces the separation time exponentially and helps the droplet bounce from the surface before freezing inception. However, the excessive increase in ATF velocity has the opposite effect and may prevent the droplet from detaching the surface due to notable drag. The best value of the ATF velocity is obtained to be 8 m/s, which reduces the separation time exponentially from 16.3 ms to 12.5 ms for a cold surface with a simple pillar pattern. The separation time is entirely affected by the simulation conditions and varies from 11.85 ms to 29.2 ms. The maximum spreading factor, despite the separation time, is seriously influenced by the void fraction percentage of different pillared surfaces and varies from 1.53 to 1.69.
كليدواژه هاي فارسي
يخ گريزي , قطره فوق سرد , برخورد قطره به سطح , تغيير فاز قطره , مورفولوژي سطح , جريان هواي عرضي , روش حجم سيال
كليدواژه هاي لاتين
: Icephobicity , Supercooled droplet , droplet-surface impact , droplet phase change , Air transverse flow , Volume of fluid method , Surface morphology
Author
Seyed Reza Hosseini
SuperVisor
Dr. Nouri & Dr. Moghimi