17340

17340

توسعه الگوريتم تخمين طول لغزش به كمك روش‏هاي نيمه ‏تجربي در جريان آشفته داخل كانال

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي - ديناميك سيالات محاسباتي

اسفندماه 1395

دكتر نوروزمحمد نوري

مكانيك

مشاهدات و كنكاش‌هاي كنجكاوانه‌ي بشر در طبيعت، همراه با پيشرفت علم و توسعه‌ي فناوري‌هاي شناسايي، منجر به كشف پديده‌ي جالب لغزش سيال بر روي سطح شده كه به كمك آن مي‌توان به بهبود عملكرد تجهيزات صنعتي و كاربردهاي حوزه‌ي نانو دست يافت. محققان در ساليان اخير با تغيير در ساختارهاي شيميايي و مكانيكي سطوح، موفق به ساخت سطوحي با خاصيت آب‌گريزي شده‌اند كه كاهش پساي اصطكاكي را مي‌توان از مهم‌ترين كاربردهاي اين سطوح در نظر داشت. محققان آزمايشگاه تحقيقاتي هيدروديناميك كاربردي دانشگاه علم و صنعت ايران نيز در همين راستا تلاش‌هايي انجام داده و موفق به توليد سطوحي با زاويه تماس استاتيكي بزرگ‌تر از 165 درجه و زاويه لغزش ديناميكي كوچك‌تر از 5 درجه شده‌اند كه از خواص آب‌گريزي بسيار خوبي برخوردار بوده و در دسته‌ي سطوح "فوق‌آب‌گريز" قرار مي‌گيرند؛ اما ارزيابي ميزان و عملكرد آب‌گريزي اين سطوح از موضوعات چالشي اين حوزه بوده و تاكنون هيچ روش جامع و دقيقي به‌منظور كمي‏سازي پاسخ جريان به شرايط لغزشي و اندازه‌گيري طول لغزش در جريان‌هاي داخلي و خارجي گزارش داده نشده است و جاي خالي يك روش ساده، دقيق و كارآمد در پژوهش‌هاي محققان دنيا احساس مي‌شود. پژوهش حاضر با علم به اين موضوع، در راستاي محقق كردن اين خلأ برآمده است. در همين راستا، با مطالعه‌ي تحقيقات پيشين، روش اندازه‌گيري افت فشار در جريان داخلي به‌منظور دست‌يابي به اهداف پژوهش انتخاب شده و سيستم اندازه‌گيري افت فشار جريان آشفته درون كانال با ديواره‌هاي آب‌گريز طراحي و ساخته‌شده است. از نتايج ديگر محققان و نتايج شبيه‌سازي‌هاي عددي براي بررسي دقت سيستم اندازه‌گيري استفاده شده است. همچنين براي تخمين طول لغزش سطوح و بي‌نياز كردن سيستم اندازه‌گيري از پي-آي-وي، يك الگوريتم عددي تكراري توسعه داده‌شده و به‌صورت كد يو-دي-اف در كنار معادلات ممنتم سيال در بسته نرم‌افزاري انسيس فلوئنت استفاده شده است. در بخش تجربي تحقيق، صفحات آب‌گريز در تنش برشي‏هاي كمتر از 25 پاسكال مورد ارزيابي قرار گرفتند. كاهش پساهاي اصطكاكي اندازه‌گيري شده براي جريان آشفته درون كانال با يك ديواره‌ي آب‌گريز از چند درصد در تنش برشي‏هاي پايين شروع شده و با افزايش تنش برشي، به ميزان مجانبي 17٫3 درصد رسيده است. همچنين كاهش پساهاي اصطكاكي پيش‌بيني‌شده براي جريان درون كانال آشفته با هر دو ديواره‌ي آب‌گريز تقريباً سه برابر كانال يك‌طرف آب‌گريز بوده و ميزان حدي آن حدود 50 درصد بوده است. طول لغزش‌هاي به‌دست‌آمده براي اين صفحات بين 30 تا 90 ميكرون بوده و بيشينه‌ي آن در تنش برشي 1٫3 پاسكال رخ داده است. سرعت لغزش حالت حدي نيز در حدود 20 درصد سرعت مركز كانال بوده است. كلمات كليدي: سطوح آب‌گريز، طول لغزش، شرط مرزي لغزش، جريان آشفته درون كانال، شبيه‌سازي عددي جريان آشفته.

1396/02/21

1/1/1900 12:00:00 AM

Human observations and curiously explorations in the nature, alongside with the advancement of science and detection technologies development, leads to discovery an interesting phenomena, means the fluid slip on the wall. This phenomena can be used to improve the efficiency of the industry equipment’s and Nano-based applications. In recent years, many researchers could make hydrophobic surfaces by changing the chemical and mechanical structures of the surface, in which drag reduction is one of the most important applications of theses surfaces. In this regard, the researchers of Applied Hydrodynamic Laboratory of Iran University of Science and Technology have prospered to fabricate surfaces with static contact angle larger than 165 degree and dynamic slip angle less than 5 degree, so that these surfaces has very good hydrophobicity properties and are classified in “superhydrophobic surfaces”. Although, eva​luation of the hydrophobicity efficiency is a challenge point in this field and so far no one report any universal and accurate method for quantifying the response of the surface to the slip condition and measurement of the slip length in the internal and external flow. So this research, by paying attention to this vague matter, has tried to resolve this important problem. In this regard, measurement of the pressure drop in the internal flow has been used after literature review in order to reach the research goals. Then Pressure drop measurement system in the turbulent channel flow with hydrophobic walls was designed and built up. Other researchers data and numerical simulation results has been used in order to verify the accuracy of the measurement system. Also for estimating the slip length and making needless of measurement system from PIV, an algorithm was developed and programmed as an UDF code for using besides the momentum equations of fluid in the Ansys FLUENT software package. In the experimental part of this study, hydrophobic surfaces were eva​luated in the shear stress less than 25 pascal. In the case of turbulent flow in the channel with one hydrophobic wall, the measured drag reductions were began from a few percent in the low shear stress to asymptotic value of 17.3 percent in the higher shear stress. Also the predicted value of drag reduction in the case of turbulent flow in the channel with both hydrophobic walls was measured about three times more than the case of one side hydrophobic wall and the amount of this drag reduction was about 50 percent. Estimated slip length was between 30 to 90 microns for this hydrophobic surfaces and the maximum of drag reduction occurred in the corresponding shear stress of about 1.3 Pascal. Also the asymptotic state of slip velocity was about 20 percent of the center velocity in channel. Keywords: Hydrophobic Surfaces, Slip Length, Slip Boundary Condition, Turbulent Channel Flow, Turbulent Flow Simulation.