Axisymmetric drop shape analysis for investigating surface tensions in pendant and sessile drops
Sarkıt ve sapsız damlalardaki yüzey gerilimlerini incelemek için eksenel simetrili damla şekli analizi
- Tez No: 937464
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL YALÇIN URALCAN, DR. ÖĞR. ÜYESİ DAN DANİEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Makine Mühendisliği, Science and Technology, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Farklı fazların birbirleriyle temas ettiği bölgeler arayüz olarak adlandırılır. Bu bölgelerdeki moleküler etkileşimler, faz içi bölgelerden farklı fiziksel ve kimyasal özelliklerin ortaya çıkmasına neden olur. Arayüz bilimi, bu etkileşimlerin incelendiği disiplindir ve en etkili parametrelerden biri yüzey gerilimidir. Yüzey gerilimi, sıvı-sıvı, sıvı-buhar, sıvı-katı veya katı-buhar gibi iki faz arasındaki arayüzdeki gerilimdir. Yüzey gerilimi, tıp, biyo-mühendislik, kimya ve makine mühendisliği gibi birçok alanda kritik rol oynar. Kabarcık oluşumu, köpük stabilitesi, ıslanma davranışları ve ince film üretimi gibi pek çok fiziksel süreç bu parametreye bağlıdır. Bu nedenle, yüzey geriliminin doğru ve güvenilir biçimde ölçülebilmesi bilimsel ve teknolojik uygulamalar açısından büyük önem taşır. Yüzey gerilimi ölçüm yöntemleri temelde kuvvet temelli ve şekil temelli olmak üzere ikiye ayrılır. Wilhelmy plakası ve Du Noüy halkası gibi kuvvet temelli yöntemlerde, sıvı arayüzünden bir katı cismin ayrılması için gerekli kuvvet ölçülür. Ancak bu yöntemler büyük sıvı hacimlerine ihtiyaç duyar. Şekil temelli yöntemler ise az miktarda sıvı kullanarak, sıvı damlacıkların veya kabarcıkların geometrik şekillerini analiz ederek yüzey gerilimini belirler. Şekil temelli yöntemlerin kuramsal temeli, Young–Laplace denklemi ile tanımlanır. Bu denklem, arayüzdeki basınç farkını eğrilik yarıçapları ve yüzey gerilimi ile ilişkilendirir. Yerçekimi etkisi ve sınır koşulları hesaba katıldığında, sarkıt ve sapsız damlacıkların şekli bu denklemle doğru şekilde hesaplanabilir. Bu nedenle, deneysel olarak kolay üretilebilen ve simetrik yapıya sahip bu konfigürasyonlar yüzey gerilimi ölçümlerinde yaygın olarak tercih edilir. Hesaplama gücündeki artış ve görüntü işleme tekniklerindeki ilerlemeler, damlacık şekillerinin hassas analizine dayanan yeni yöntemlerin geliştirilmesini mümkün kılmıştır. Bunlardan en yaygın ve güvenilir olanı ADSA (Axisymmetric Drop Shape Analysis) yöntemidir. ADSA, eksensel simetrik damlacık görüntülerinden kenar profillerini tespit eder, Laplace denklemini sayısal olarak çözer ve deneysel veriye en uygun teorik profili bularak yüzey gerilimini yüksek doğrulukla hesaplar. Ek olarak, temas açısı ve arayüzey enerjisi gibi diğer özelliklerin de eşzamanlı olarak elde edilmesine olanak tanır. Bu çalışmanın amacı, hem sarkıt hem de sapsız damlacık konfigürasyonları için yüzey gerilimini doğru ve tekrarlanabilir biçimde belirleyebilecek bir deneysel sistem ve açık kaynak yazılım platformu geliştirmektir. Düşük bütçeli ancak yüksek hassasiyetli olacak şekilde tasarlanan sistemin temel bileşenleri arasında LED fiber ışık kaynağı, difüzör, damla dispenseri, test odası, mikrometrik hareket platformları ve yüksek çözünürlüklü DSLR kamera yer almaktadır. Damla, paslanmaz çelik iğne yardımıyla oluşturulmakta ve titreşim izolasyonlu bir platform üzerine sabitlenmiş mikrometrik ayar mekanizmalarıyla hizalanmaktadır. Kamera, 3 eksenli gimbal üzerinde çift yönlü görüntüleme yapılacak şekilde konumlandırılmıştır. Bu konfigürasyon damla ve kamera eksenleri arasındaki eğim kaynaklı hataları en aza indirerek ölçüm doğruluğunu artırmaktadır. Test odası, 3D yazıcı ile üretilmiş olup, cam pencerelerle çevrelenerek buharlaşma, hava akımı ve titreşim gibi dışsal etkilerden korunmuştur. Ayrıca optik distorsiyon, ışık yoğunluğu, damlacık hacmi ve eğim açısı kaynaklı hatalar benzeri sistematik hatalar analiz edilmiş ve deney öncesinde kalibrasyonlarla düzeltilmiştir. Kameralar ve mikroskopik lenslerin yol açtığı optik distorsiyon, yüzey ve arayüzey gerilimi ölçümlerinde hata kaynağıdır. Bu hataları azaltmak için, damla görüntüleriyle aynı odak düzleminde çekilen optik ızgara görüntüleri kullanılarak piksel-uzunluk kalibrasyonu yapılmıştır. Deney sisteminde mikroskop optik kalibrasyon slaytları kullanılarak sağ ve sol köşelerinden ölçülen piksel mesafeleri arasındaki fark saptanmıştır (0.08 px, 0.000288 mm). Sayısal olarak radyal ve eksenel koordinatlardaki sapmalar yaklaşık 0.6 µm ve 0.1 µm bulunmuş, bunun sonucunda yüzey gerilimi belirsizliği ±0.18 mJ/m² olarak hesaplanmıştır. Bu belirsizlik literatürde kabul edilen sınırlar içindedir ve ek distorsiyon düzeltme algoritmalarına ihtiyaç duyulmadığını göstermektedir. Işık kaynağı, ADSA sistemindeki görüntü kalitesini etkileyen uygun olmayan ışık yoğunluğu sebebiyle damla profilini yanlış saptamaya yol açarak hata kaynağı oluşturabilir veya damlacığın lokal olarak ısınmasına neden olan uzun süreli aydınlatma sebebiyle termal bazlı ölçüm hatalarına yol açabilir. Aşırı pozlama veya düşük pozlama, damla kenarlarının kontrastını bozarak kenar algılamada piksel seviyesinde (genellikle 1–3 px) sapmalara yol açar ve bu da yüzey gerilimi hesaplamalarında önemli ölçüde hatalara neden olur. Bu sorunu çözmek için sistemde 640 nm dalga boyunda ve 10 nm bant genişliğinde bandpass optik filtre (FB640-10) test edilmiştir. Filtre, termal etkileri azaltmada başarılı olsa da, kırmızı ışık altında kontrastın düşmesi nedeniyle damla kenarlarının tespiti zorlaşmıştır. Sonuç olarak filtre yerine nötr difüzör kullanılmış ve hızlı görüntü alma ile ışık kaynağı çekim sonrasında kapatılarak ısınma etkileri minimuma indirilmiştir. Yüzey gerilimi hesaplarında kullanılan Young–Laplace denklemi içinde yer alan Bond (Bo) sayısı, damlanın yarıçapının karesiyle doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle, damla boyutu ölçümlerin doğruluğunu önemli ölçüde etkiler. Özellikle düşük Bond sayılarına karşılık gelen küçük damla hacimleri (0–5 µL aralığında) denklem çözümlerinin iyi tanımlanmadığı ve sonuçların güvenilir olmadığı bölgelerdir. Su damlaları için yapılan incelemede, sarkıt damla deneylerinde Bo sayısı 0.20'den başlanarak artırılmış ve 0.30–0.35 aralığının en düşük hata verdiği bulunmuştur; bu aralık yaklaşık 0.20–0.30 µL damla hacmine karşılık gelir. Sapsız damla konfigürasyonunda ise, Bo sayısının 0.50–0.90 aralığında kullanılması önerilmiştir ki bu da yaklaşık 25–60 µL damla hacmi demektir. Bu sayede, damla hacmi parametresi optimize edilerek, küçük hacimlerde ortaya çıkan belirsizlik ve ölçüm hataları minimize edilmiştir. Bo sayısına bağlı uygun damla hacmi seçimi, ADSA yönteminin doğruluğunu artırmada kritik bir rol oynamıştır. Eğim açısı kaynaklı hatayı minimize etmek için sarkıt damla ve sapsız damla deneylerinde farklı stratejiler uygulanmıştır. Sarkıt damla ölçümlerinde, çift taraflı görüntüleme yapılabilmesi amacıyla üç eksenli dişli gimbal üzerinde tutulan tek kamera, önden ve yandan görüntü alacak şekilde konumlandırılmış ve böylece iğne ekseninin hem pitch hem de yaw yönlerinde hassas hizalanması sağlanmıştır. Bu sayede damla profilinde dikey simetri yakalanmış ve ADSA algoritmasına güvenilir veri girişi mümkün olmuştur. Sapsız damlalarda ise, çift kamera sistemi yerine ultra düşük adezyonlu siyah silikon süperhidrofobik bir yüzey kullanılmıştır. Bu yüzeyde damla çok hassas hareket ettiği için platformun eğimi yaklaşık 0.4° düzeyinde bile görünür damla yer değiştirmesine neden olmaktadır. Pitch-yaw platformu döndürülerek damla sabitlenecek şekilde hizalama yapıldığında eğim açısı hatası etkin biçimde elimine edilmiştir. Ayrıca, yüksek kontakt açısı sayesinde damla kenarlarının keskin kontrastla belirlenmesi sağlanarak kenar algılama doğruluğu artırılmıştır. Bu yöntem, eğim açısı kaynaklı hataların sistematik ve tekrarlanabilir biçimde azaltılmasına olanak tanımıştır. Sayısal yazılım Jupyter Notebook ortamında Python ile geliştirilmiş ve tüm analiz süreci açık kaynak olarak paylaşılmıştır. Damla görüntüleri gri tonlamaya çevrilmiş, kenar tespiti için Canny algoritması kullanılmıştır. Kenarlar tespit edildikten sonra, iç bölgelerde ışık dalgalanmaları veya arka plan kusurları nedeniyle oluşabilecek yanlış kenarlar (gürültü) için bağlantılı bileşen analizi kullanılarak en büyük kenar bileşeni izole edilmiştir. Damla tepe noktası (apex) sapsız damlalarda dikeyde en tepede kalan, sarkıt damlalarda ise en aşağıda kalan %15'lik noktalar kümesine dairesel eğri uydurma işlemleri ile belirlenmiştir. Sonrasında piksel koordinatlardan fiziksel birimlere ölçeklendirme işlemleri uygulanmıştır. Sarkıt damla deneylerinde, piksel-milimetre dönüşümü için iğne ucunun görsele dahil olmasından ve çapının biliniyor olmasından faydalanılarak, Otsu eşikleme yöntemi ile arka plandan iğne segmentasyonu yapılıp en büyük kontur seçilerek, sınırlar içerisine alınan bir dikdörtgen geometri ile iğnenin piksel cinsinden uzunluğu hesaplanmıştır. Bilinen iğne çapı ile bu uzunluk kullanılarak piksel/mm oranı belirlenmiştir. Sapsız damlalarda iğne görsele dahil olmadığından, aynı odak düzleminde yerleştirilen optik referans ızgara kullanılmıştır. Thorlabs R1L1S1P hedefindeki 200 µm aralıklı çizgiler, görüntü analiz programıyla piksel cinsinden ölçülerek kalibrasyon yapılmıştır. Böylece tüm damla koordinatları fiziksel birimlere dönüştürülmesi teorik profil ile deneysel verinin aynı boyutsal düzeyde karşılaştırılmasına olanak tanımıştır. Young–Laplace denkleminin boyutsuz formu, Runge–Kutta yöntemiyle sayısal olarak çözülmüş, Bond sayısı gibi parametreler üzerinden teorik damla profili elde edilmiştir. Deneysel ve teorik profiller arasındaki fark, tanımlanan hata fonksiyonu ile optimize edilerek yüzey gerilimi değeri belirlenmiştir. Yazılımın modüler yapısı sayesinde sarkıt ve sapsız damlacık analizleri ortak algoritmalar üzerinden çalışmaktadır. Geliştirilen sistemin güvenilirliği, %0–50 etanol-su karışımlarıyla test edilmiştir. Elde edilen yüzey gerilimi değerleri, Wilhelmy Plaka yöntemiyle bildirilen literatür verileriyle uyumlu bulunmuştur. Sarkıt konfigürasyonda ±0.3 mN/m hata ile %1.63 ortalama mutlak hata elde edilirken; süperhidrofobik yüzeylerde sapsız damla konfigürasyonunda ±0.6 mN/m doğruluk ve %0.46 ortalama mutlak hata elde edilmiştir. Sonuç olarak, yaklaşık 20 kat daha düşük maliyetle geliştirilen bu açık kaynak sistem, ±0.3 mN/m düzeyinde hata payıyla birçok akademik ve endüstriyel uygulama için yeterli doğruluk sunmakta ve ticari sistemlerle karşılaştırılabilir ölçüm performansı sergilemektedir. Yazılımın modüler ve şeffaf yapısı, kullanıcıların hem analiz sürecini anlamalarını kolaylaştırmakta hem de gelecekteki geliştirmelere açık bir temel sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Surface tension plays a critical role in numerous interfacial phenomena across scientific and industrial applications, making its accurate measurement essential for advancing material and fluid characterization. This study presents a comprehensive framework for surface tension measurement based on the Axisymmetric Drop Shape Analysis (ADSA) method. It combines a low-cost experimental setup with a custom-developed open-source software solution. The aim of this thesis is to improve measurement accuracy of the low-cost drop shape tensiometers while enhancing accessibility and reproducibility for researchers. A precision-controlled ADSA system is designed and assembled for both sessile and pendant drop configurations, incorporating a high-resolution imaging module, an environmental test chamber and a modular droplet dispensing unit. The imaging setup includes a DSLR camera and adjustable LED backlighting to ensure sharp contrast and edge clarity for drop profile acquisition. Additionally, a pitch–yaw tilt correction platform is integrated to minimize substrate inclination, ensuring axisymmetric droplet shapes crucial for accurate surface tension analysis. During the experimental setup assesment, a continous improvement has been done on identifying and minimizing key sources of error such as optical distortion, camera misalignment, and calibration inaccuracies. A combination of distortion grid correction, stable lighting conditions, and geometric alignment procedures were implemented to ensure the fidelity of drop imaging. Following the experimental setup design, a Python-based software was developed to automate the surface tension measurement process. This tool incorporates advanced image processing steps, including noise filtering, Canny edge detection, and apex detection. Subsequently, the Young–Laplace equation was numerically solved, and theoretical profiles were optimized to best fit the experimental drop contours. The software's modular structure allows researchers to adapt it for various drop types and experimental conditions, and its open-source nature promotes transparency and collaboration within the scientific community. To validate the accuracy and functionality of the system, the surface tension of water–ethanol mixtures varying %0-50 wt was measured. The obtained values showed strong agreement with those reported in the literature which confirmed the system's reliability and precision. This work offers a significant contribution to the field of interfacial science by providing a reliable, cost-effective, and reproducible approach to surface tension measurement. The ADSA platform developed here enables researchers to conduct detailed analyses with high accuracy, while its open-source software lays the groundwork for further improvements. Future research directions include enhancing the system's capability for dynamic measurements and expanding its application to complex fluids and surfactant-laden interfaces. In summary, this study delivers an integrated experimental-computational solution for surface tension analysis supporting the advancement of interfacial engineering and materials research.
Benzer Tezler
- Sızdırmazlık cam bileşimlerinin geliştirilmesi, farklı yöntemlerle şekillendirilmesi ve karakterizasyonu
Development of sealing glass compositions, forming with different techniques and their characterization
MELİS CAN ÖZDEMİR YANIK
Doktora
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜHEYLA AYDIN
DOÇ. DR. ESİN GÜNAY
- Elektronik devrelerin soğutulması ve jet püskürtmeli soğutma sistemlerinin analizi
Cooling of electronic circuits and analysis of jet impingement cooling systems
OĞUZ CAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT TUNÇ
- Numerical investigation of the effects of baffle geometry and number on the flow structure and acoustics in a gun suppressor
Bir silah susturucusunda perde geometrisi ve sayısının akış yapısı ve akustik üzerindeki etkilerinin sayısal incelenmesi
EZEDIN AYALIEW YIMAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiKırıkkale ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TOLGA DEMİRCAN
- Mikrodalga elektrotermal itki sistemi:tasarımı, üretimi ve performans analizi
Design, manufacture and performance analysis of a microwave electrothermal thruster system
MEHMET SERHAN YILDIZ
Doktora
Türkçe
2016
Astronomi ve Uzay BilimleriHava Harp Okulu KomutanlığıUzay Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT ÇELİK
YRD. DOÇ. DR. İBRAHİM KOÇ
- A holistic decision support tool for facade design
Cephe tasarımı için bütüncül bir karar destek aracı
SİNEM KÜLTÜR
Doktora
İngilizce
2019
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE NİL TÜRKERİ
PROF. DR. Ulrich KNAACK