25498

بررسي عددي اثر مارانگوني بر روي سطوح تركيبي آبگريز- آبدوست در انتقال حرارت چگالش قطره‌اي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

3992

1400/07/27

حميد صفاري

مهندسي مكانيك

چگالش يك فرآيند تغيير فاز مي‌باشد كه بخار در تماس با يك سطح سردتر طي يك فرآيند فشار ثابت تغيير فاز داده و به صورت مايع چگاليده بر روي سطح قرار مي‌گيرد. چگالش به دو صورت لايه‌اي و قطره‌اي بر روي سطح اتفاق مي‌افتد. در چگالش لايه‌اي، لايه‌اي از مايع چگاليده سطح را مي‌پوشاند و اين لايه به دليل ضخامتي كه دارد منجر به ايجاد مقاومت در مسير انتقال حرارت شده و در نتيجه ضريب انتقال حرارت كمتري را نسبت به چگالش قطره‌اي بوجود مي‌آورد. از طرفي چگالش قطره‌اي بر روي سطحي كه انرژي سطحي آن پايين باشد، اتفاق مي‌افتد. دو مورفولوژي كيسي و ونزل از جمله حالت‌هاي ايجاد قطره بر روي سطح در چگالش قطره‌اي مي‌باشند. پايان نامه حاضر تلاش نموده انتقال حرارت چگالشي را بر روي يك سطح تركيبي آبگريز-آبدوست و در زبري با حالت‌هاي كيسي، ونزل و حالت بدون زبري و در دو سطح صفحه تخت و سطح لوله مورد بررسي قرار دهد. نوارهاي آبگريز به صورت موازي با سطح آبدوست در نظر گرفته شده و براي دست يابي به يك نقطه بهينه كه در آن شارحرارتي سطح تركيبي حداكثر مقدار را داشته باشد، عرض نواحي آبگريز متناسب با بيشترين شعاع قطره محدود شده است. همچنين در اين مدلسازي اثر پديده جابجايي مارانگوني در داخل قطره مورد بررسي قرار گرفته است و روابط مربوط به انتقال حرارت با در نظر گرفتن جريان مارانگوني اصلاح شده است. به اين صورت كه به كمك رابطه موجود براي عدد مارانگوني، رابطه افت دماي ناشي از جابجايي مارانگوني بدست آمده و از حاصل جمع اين رابطه با ساير افت دماهاي موجود، رابطه انتقال حرارت از تك قطره اصلاح شده است. همچنين رابطه‌اي براي شعاع قطره استخراج شده كه به كمك آن مي‌توان قطرات را به دو دسته قطراتي كه اثر مارانگوني در آن‌ها قابل توجه بوده و قطراتي كه اين اثر قابل صرف نظر كردن مي‌باشد، تقسيم كرد. بررسي نتايج نشان مي‌دهد كه استفاده از سطح تركيبي منجر به محدود شدن رشد قطره شده و نقطه بهينه‌اي براي بيشترين شعاع قطره وجود خواهد داشت كه در آن حداكثر شارحرارتي از سطح تركيبي بدست خواهد آمد. مقادير اين نقطه بهينه براي حالت‌هاي كيسي، ونزل و سطح صاف به ترتيب از45/0 تا 75/0، 54/0 تا 74/0 و 3/0 تا 42/0 ميليمتر براي عرض نواحي آبدوست مختلف متغير مي‌باشد. همچنين در حالت كلي در نظر گرفتن اثر جابجايي مارانگوني به طور ميانگين منجر به افزايش 27%شار حرارتي در حالت ونزل و افزايش 31% شارحرارتي در حالت كيسي مي‌گردد.

1400/08/22

Numerical study of the effect of marangoni on hydrophobic-hydrophilic hybrid surfaces in dropwise condensation heat transfer

10/19/2022 12:00:00 AM

Condensation is a phase change process in which steam changes its phase in contact with a cooler surface during a constant pressure process and in the form of the condensed liquid is placed on the surface. Condensation occurs in two states on the surface: filmwise and dropwise ones. In filmwise condensation, a film of condensed liquid covers the surface, and this film, due to its considerable thickness, leads to Creating resistance in the heat transfer path and as a result lead to obtaining lower heat transfer coefficient than the dropwise condensation. On the other hand, there can be the dropwise condensation on the surface with low surface energy. The two morphologies of Cassie and Wenzel are among the modes of droplet formation on the surface in dropwise condensation. The present dissertation attempts to investigate the condensing heat transfer on a hydrophobic-hydrophilic hybrid surface and in Cassie state, Wenzel one and the without-roughness one and on two flat plate surface and tube surface. The hydrophobic strips are considered parallel to the hydrophilic surface and to achieve an optimal point where the heat flux has the maximum value of the hybrid surface, the width of the hydrophobic zones is limited to the maximum radius of the drop. Also in this modeling, effect of the phenomenon of marangoni convection within the droplet has been investigated and the relations related to heat transfer by considering Marangoni flow has been modified. In this way, with the help of the existing relation for Marangoni number, the relation of temperature drop due to Marangoni convection is obtained and from the sum of this relation with other existing temperature drops, the relation of heat transfer from single drop is modified. Also, a relation for the radius of the droplet is extracted, by which the droplets can be divided into two categories: droplets in which the marangoni effect is significant and droplets in which this effect can be ignored. Exploring of the results shows that the use of the hybrid surface leads to droplet growth restriction and there will be an optimal point for the maximum droplet radius at which the maximum heat flux from the hybrid surface will be achieved. The values of this optimal point for Cassie, Wenzel and flat surface states are from 0.45 to 0.54, 0.75 to 0.74 and 0.3 to 0.42 mm respectively and it varies for the widths of different hydrophilic areas. Also in general considering the effect of marangoni flow on average leads to a 27% increase in heat flux in Wenzel state and a 31% increase in Cassie state.

چگالش قطره‌اي، چگالش لايه‌اي، سطح آبگريز-آبدوست، انتقال حرارت، جريان مارانگوني

dropwise condensation, Filmwise condensation, Hydrophobic-Hydrophilic surfaces, Heat Transfer, Marangoni flow