17072

17072

كاهش درگ اصطكاكي به كمك پوشش هاي آب گريز

دكتري

مكانيك

آذر 1391

دكتر نوروز محمد نوري

دكترسيد مصطفي حسينعلي پور

مكانيك

چكيده در اين پايان نامه پديده كاهش نيروي اصطكاك پوسته ايي در مقابل حركت اجسام در آب به وسيله پوشش دهي با مواد آب گريز، به دو شيوه تجربي و شبيه سازي كامپيوتري مطالعه شده است. نياز به شناخت اين پديده به علت عدم وجود نظريه قطعي در تشريح مناسب فيزيك حاكم بر آن از يك سو و ساده و قابل اجرا بودن آن در شرايط مختلف باعث شد تا تحقيق حاضر انجام گردد. بدين منظور در اين تحقيق سعي بر آن بوده تا تشريح مناسبي از پديده كاهش نيروي اصطكاكي با استفاده از پوشش دهي، در مدل‌سازي‌ها و نتايج تجربي بدست آيد و در مراحل انجام پروژه قابليت مدل استفاده شده و استفاده بهينه از آن مورد توجه بوده است. در بخش فعاليت‌هاي تجربي، طراحي، ساخت، راه اندازي و آزمايش تجهيزات براي توليد سطوح آب گريز و مشاهده تأثير آن انجام شده است. با استفاده از تجهيزات فراهم شده سطوحي با قابليت تر ناپذيري بالا ايجاد شده، بطوريكه سطح پوشش داده شده زاويه تماسي در حدود 170 درجه و زاويه ديناميكي كمتر از 10 درجه را دارا مي‌باشد. علاوه بر اين پوشش ايجاد شده در داخل آب در حدود 14 روز و در هوا بيش از 6 ماه پايدار است. اندازه گيري‌هاي افت فشار در جريان داخلي براي سطوح پوشش داده شده حاكي از دستيابي به كاهش افت فشاري در حدود 30% مي‌باشد. از اهداف ديگر بخش تجربي پيش بيني ميزان كاهش نيروي پساي اصطكاكي براي جريان‌هاي آشفته و جريان‌هاي خارجي است. براي دستيابي به اين هدف از فرضيه ايي استفاده شده است. بدين معنا كه سطوحي كه از يك فرايند ساخت پيروي كنند و نرخ برشي يكسان بر روي آن‌ها برقرار باشد، طول لغزش يكساني را خواهند داشت. بدين صورت با محاسبه طول لغزش در جريان داخلي ميكرو كانال امكان محاسبه سرعت لغزشي و در نهايت محاسبه ميزان كاهش نيروي اصطكاكي در جريان آشفته داخلي و يا افزايش سرعت در جريان‌هاي خارجي فراهم خواهد شد. در بخش شبيه سازي كامپيوتري با بررسي مدل‌هاي موجود و روش‌هاي متداول، از مدلي به منظور امكان بررسي تأثير پوشش آب گريز در جريان زمينه استفاده شده است. در اين بخش قابليت اين مدل در كنار روش‌هاي شبيه سازيي غير از حل عددي مستقيم مورد توجه بوده و شبيه سازي شرايط مختلف پوشش دهي از جمله طول‌هاي مختلف لغزش و لغزش در راستاهاي متفاوت با مدل مذكور بررسي شده است. نتايج محاسباتي نشان مي‌دهد كه مدل استفاده شده بطور كامل مي‌تواند تأثير سطوح آب گريز را در تغيير شدت آشفتگي و ميدان ورتيسيتي نشان دهد. از موارد ديگري كه در بخش عددي به آن پرداخته شده است استفاده از روش المان تماسي به عنوان يك تابع ديواره مي‌باشد. روش لايه تماسي اين امكان را فراهم مي‌كند تا بتوان با ارائه مدلي در مجاورت ديواره محاسبات را كاهش داد. اين روش ضمن حساسيت به گراديان فشار در فواصل مختلف ديواره قابل اعمال بوده و اين ويژگي وجه تمايز اين روش نسبت به بسياري از توابع ديواره مي‌باشد. استفاده از مدل المان تماسي باعث كاهش حدود 70% سلول‌هاي محاسباتي شده، در حالي كه تخمين مناسبي از جريان در ناحيه بسيار نزديك به ديواره به دست آمده است. اميد است تا نتايج آزمايشگاهي و محاسباتي به دست آمده از اين تحقيق، امكان توسعه و بهبود اين روش را در تحقيقات آينده روشن‌تر سازد. كلمات كليدي: سطوح آب گريز، نيروي پساي اصطكاكي، شبيه سازي گردابه هاي بزرگ، ميكرو كانال

1396/01/20

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: In this thesis, drag reduction phenomena by hydrophobic coating is studied experimentally an​d with computer simulation. The lack of accurate theory for explanation of physics of drag reduction by hydrophobic coating was motivated to do this project. so in this investigation some efforts were done to present a suitable numerical simulation an​d some apparatus design for experimental study to clarify the effect of hydrophobic coating on drag reduction. In experimental part some apparatuses like radiative oven for coating curing an​d some coating chambers are designed. In addition for measuring dynamic sliding angle equipment is built so we can measure sliding angel in some way except photography. Besides these, for research on effect of hydrophobic coating on drag reduction in flow field a microchannel was design. With these set up an​d some other instruments an​d preprocessing method the surfaces with high non wettability characteristic are produced. The results show that preprocessing an​d proper absolute humidity lead to superhydrophobic surfaces with high stability an​d durability. These surfaces are used in microchannel to investigate drag reduction effect. In this microchannel pressure drop is measured in two cases, one without coating an​d the other with superhydrophobic coating.in constant mass flow rate pressure drop decreases in coating case more than 30%. Also in experimental study we tried to predict the rate of drag reduction in turbulent flow an​d external flow field. So we use an assumption that if surfaces follow the same procedure to produce an​d experience the same shear rate in the flow filed, they can have the same slip length. In this way ,by computing slip length in internal flow in microchannel we can calculate the slip velocity an​d drag reduction in turbulent flow o​r increasing the velocity for external flow.It should be mentioned that for exact predication more experimental research an​d more accurate instrument are needed. In the computational simulation the effect of superhydrophobic surfaces an​d their characteristic on the drag reduction was studied .for this purpose a model is used which is capable to simulate the different condition of these surfaces. The results confirm that this model can predict the influence of hydrophobicity on turbulence structure an​d vorticity filed .In this research this general model is used with some numerical method rather than direct numerical simulation. The other thing that is studied in numerical part is using contact layer as a wall function.Unlike other wall functions, the Contact Layer technique is sensitive to pressure gradient an​d surface curvature an​d has no experimental constants in its formulation. The total number of grid points in the simulation of turbulent flow with this wall model is reduced up to70%., while the flow statistics is not changed significantly. Key words: Superhydrophobic Surfaces, Frictional Drag, Large Eddy Simulation, Microchannel