Effect of dynamic contact angle models on the droplet spread simulations
Dinamik temas açısı modellerinin damlacık yayılması benzetimlerine etkisi
- Tez No: 712858
- Danışmanlar: PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Sıvı damlacıklarının katı bir yüzeye çarpması; mürekkep püskürtmeli baskı, sprey kaplama, püskürtmeli soğutma, tarım ilaçlarının uygulanması gibi birçok endüstriyel işlemin etkili olarak gerçekleştirilmesinde büyük önem taşır. Örneğin, sprey kaplama işleminde hava baloncuğu oluşumu ürünün kalitesini düşürmekle beraber, eğer damlacıkların davranışları modellenebilirse ortadan kaldırılabilecek bir sorundur. Diğer bir örnek ise, hem kağıda yazdırma işlemlerinde, hem de organik ışık yayan diyot (OLED) panellerinin üretiminde kullanılan mürekkep püskürtmeli yazdırma işlemi, damlacıkların ıslattığı alandan direkt olarak etkilenmektedir. Bu nedenle, bir damlacığın katı bir yüzey üzerindeki davranışının doğru bir şekilde tahmin edilmesi, endüstriyel ürünlerin kalitesinin artmasına olanak sağlayacaktır. Bu süreçlerin iyileştirilmesi için yapılan fiziksel deneyler meşakkatli ve pahalı olduğu için, damlacıkların sayısal benzetiminin yapılması sıklıkla tercih edilen bir yöntemdir. Bir sıvı damlasının katı bir yüzey üzerinde yayılması viskoz, atalet ve temas hattı kuvvetlerinin etkisi altında gerçekleşen, oldukça dinamik ve karmaşık bir olaydır. Yayılım olayını etkileyen birçok faktör bulunmaktadır. Bunlardan bazıları damlacığın katı yüzeye çarpma anındaki çapı ve hızı, yüzey pürüzlülüğü, basınç, viskozite, katı yüzeyinin ıslanabilirliği, Reynolds sayısı ve Weber sayısı olarak sıralanabilir. Reynolds sayısı atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranı, Weber sayısı ise atalet kuvvetlerini yüzey gerilimine oranı olarak tanımlanır. Yukarıda bahsi geçen sebeplerden ötürü bir damlacığın sayısal benzetiminin yapılması oldukça zor bir süreçtir ve çözülmesi gereken bir çok problem barındırır. Bu problemlerden bazıları faz ara yüzeyinin yakalanması/izlenmesi, dinamik temas açısının tespiti, yüzey gerilmesinin modellenmesi ve temas hattı hızının belirlenmesi olarak sıralanabilir. İki fazlı akışlarda faz arayüzünün lokalizasyonu için geliştirilmiş birçok teknik vardır. En popüler teknikler seviye kümesi (level set), akışkan hacmi (volume of fluid, VOF) yöntemi ve Lagrange yöntemleridir. Lagrange yöntemleri kullanılarak yapılan benzetimler diğer yöntemlere kıyasla oldukça yüksek bir hesaplama gücü gerektirir ve seviye kümesi yönteminde kütle kaybı (hesaplama süresi ilerledikçe sıvı kütlesinin gaz kütlesine dönüşmesi) sorunları mevcuttur. Bu sebeplerden ötürü bu çalışmada yapılan sayısal benzetimlerde VOF metodu kullanılmıştır. VOF yönteminde farklı akışkan fazları hacim kesri (volume fraction) fonksiyonu ile takip edilir. Hacim kesri, bir hesaplama hücresinde bulunan akışkanın kompozisyonunu belirten bir fonksiyondur. Örneğin bir hücre tamamen bir akışkan ile doluysa, hacim kesri fonksiyonu 1 değerini alır, eğer ki o hücrede o akışkan mevcut değilse 0 değerini alır. Dolayısıyla, hacim kesri fonksiyonunun 0 ile 1 arasında olması, hücrede akışkan ara yüzeyi varlığını göstermektedir. Her bir zaman aralığında hacim kesri denklemi de korunum denklemleriyle birlikte çözülüp ara yüzeyin adveksiyonu sağlanır. Faz ara yüzeyinin keskin olmasını sağlamak için özel ayrıklaştırma yöntemlerinin kullanılması gerekir. OpenFOAM'da kullanılan standart metot, cebirsel bir metot olan Multidimensional Universal Limiter for Explicit Solution (MULES) metodudur. Ancak MULES metodu kullanıldığında ara yüzey birkaç hesaplama hücresine yayılır. Bu problemi ortadan kaldırmak için, geometrik bir metot olan IsoAdvector metodu önerilmiştir. Bu çalışmada hem MULES hem de IsoAdvector metotları kullanılarak sayısal benzetimler yapılmıştır. Damlacıkların sayısal benzetiminin isabetliliğini etkileyen bir diğer faktör ise temas açısının modellenmesidir. Temas açısı, iki karışmaz akışkanın duvarla temas ettiği noktada duvar ile akışkan ara yüzeyi teğetinin yaptığı açıdır. Akışkanların hareketsiz olduğu durumda, bu açı akışkan-duvar sisteminin bir özeliğidir, ve bu durumda temas açısı, denge temas açısı olarak adlandırılır. Akışkanların hareket ettiği durumda ise temas açısı yalnızca akışkan-duvar sistemine değil aynı zamanda akışa da bağlıdır ve dinamik temas açısı olarak adlandırılır. Hareketli durumda gözlemlenen dinamik temas açısının davranışı henüz tam olarak anlaşılamamış olsa da geçtiğimiz on yıllarda araştırmacılar pek çok dinamik temas açısı modeli geliştirmişlerdir. Pek çok dinamik temas açısı modeli, dinamik temas açısını temas hattı hızının ve kapiler sayısının bir fonksiyonu olarak ifade eder. Bu çalışmada; Shikhmurzaev, Kistler ve Bracke dinamik temas açısı modellerini ve Sanki-Dinamik temas açısı modeli kullanılarak, literatürde bulunan beş farklı damlacık çarpması deneyinin sayısal benzetimleri yapılmıştır. Deneylerin Weber sayıları 1.81 ile 93 aralığında, Reynolds sayıları ise 36 ile 4010 aralığındadır. Hesaplama platformu olarak açık kaynaklı bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı olan OpenFOAM programı kullanılmıştır. Her bir dinamik temas açısı modeli faz kesri denklemine bir sınır şartı olarak verilmiştir. Benzetimlerin performanslarını değerlendirmek için ortalama yayılma faktörü hatası ve maksimum yayılma çapı hatası ölçütleri kullanılmıştır. Sonuçta tüm dinamik temas açısı modellerinin deneylerle uyumlu sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Tüm benzetimlerden elde edilen ortalama yayılma faktörü hatası en düşük %1.34, en yüksek %11.33 olarak bulunmuştur. Benzer olarak, maksimum yayılma çapı hatası %1.24 ile %11.31 aralığında bulunmuştur. Düşük Reynolds sayısına sahip deneylerde, benzetimlerin maksimum yayılma çapını deneysel sonuçlara oranla daha düşük tahmin ettiği görülmüştür. Yüksek Reynolds sayısına sahip deneylerde ise maksimum yayılma çapı gerçekte olduğundan daha yüksek bulunmuştur. Dinamik temas açısı modellerinin performansları benzer olsa da yüksek Reynolds sayılarında Shikhmurzaev modeli en doğru sonuçları verirken, Kistler modeli ve Sanki-Dinamik model düşük Reynolds sayılarında daha iyi tahminler vermiştir. Ayrıca, IsoAdvector'ın düşük Weber sayılarına sahip damlacık etkisi simülasyonları için uygun olmadığı görülmüştür. Bu çalışmanın ilk bölümünde damlacık çarpması olayı, bu olaya etki eden faktörler ve literatürde damlacık çarpması benzetimlerinde kullanılan farklı yöntemlerden bahsedilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümü iki fazlı akış denklemlerinin türetilmesine adanmıştır. Üçüncü bölümde önceki bölümde elde edilen denklemler kullanılarak elde edilen VOF metodu formülasyonu ayrıntılı olarak incelenmiştir. Dördüncü bölümde temas açısı kavramı açıklanmış ve bu tezde kullanılan dinamik temas açısı modelleri tanıtılmıştır. Beşinci bölümde benzetimi yapılan deneyler ve benzetim ortamı tanıtılmıştır. Altıncı bölümde benzetim sonuçları verilmiş ve sonuçlara dayalı bulgular tartışılmıştır. Son bölümde ise çalışmadan elde edilen genel sonuçlar verilmiştir.
Özet (Çeviri)
Many industrial processes such as inkjet printing, spray coating and spray cooling, involve the liquid droplets impacting onto solid surfaces. Hence, an accurate estimation of the impact of a droplet onto a solid surface is of great importance because unexpected behaviors of droplets may result in bad quality products or services. In order to make an accurate numerical simulation, one needs to solve many challenging problems such as interface localization and the estimation of dynamic contact angle (DCA). There are many techniques developed for the localization of the phase interface in two phase flows. The most popular techniques are the level set, the volume of fluid (VOF) and the Lagrangian methods. The Lagrangian methods are computationally expensive, and the level set method is not mass conservative. Therefore, in this work we have selected the VOF method and conducted our simulations using two different interface capturing schemes, an algebraic algorithm named Multidimensional Universal Limiter for Explicit Solution and a geometrical algorithm named IsoAdvector. We have compared four DCA models, the Quasi-Dynamic, the Shikhmurzaev, the Kistler and the Bracke models. We have used OpenFOAM, an open source computational fluid dynamics (CFD) software as our computation platform. We have implemented the DCA models and used them as a boundary condition for the phase fraction equation, which is used by the VOF method in order to locate the phase interface. Numerical simulations were compared with five different experimental results. The performances of the simulations were evaluated using two metrics, the mean spread factor error and the maximum spread diameter error. Even though the performances of the DCA models are similar, for higher Reynolds numbers, the Shikhmurzaev model gave the most accurate results, whereas the Kistler model and the Quasi-Dynamic model gave better estimations in low Reynolds numbers. We've also concluded that the IsoAdvector scheme is not suitable for the droplet impact simulations with low Weber numbers.
Benzer Tezler
- 3-D simulation of droplet impact on static and moving walls
Başlık çevirisi yok
ANIL YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR ERTUNÇ
- Numerical investigation of dropwise condensation on plain and functional surfaces
Fonksiyonal ve desenli yüzeyler üzerinde damlacıklı yoğuşmanın sayısal inçelemesi
HOSSEIN MOHASSEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KOŞAR
DOÇ. DR. ABDOLLALI SADAGHIANI
- Mikroskobik kanallar üzerinde gerçekleşen ıslanma dinamikleri
Wetting dynamics on microscopic channels
ÖZLEM ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEM ÖZGÜR SERVANTİE
- Numerical study on the dispersion and deposition of particles in evaporating sessile droplets
Buharlaşan sapsız damlacıklarda parçacıkların dağılması ve birikmesi üzerine sayısal çalışma
ALİ KEREM ERDEM
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LUCA BIANCOFIORE
- Computational modeling of viscoelastic two-phase systems
Viskoelastik iki-fazlı sistemlerin hesaplamalı yöntemlerle modellenmesi
DAULET IZBASSAROV
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN MURADOĞLU