Τριδιάστατη προσομοίωση στατικής και δυναμικής διαβρεκτικότητας μικρο- και νανο- δομημένων επιφανειών

Σέμα, Διονύσιος; Sema, Dionysios

dc.contributor.author	Σέμα, Διονύσιος	el
dc.contributor.author	Sema, Dionysios	en
dc.date.accessioned	2019-04-02T10:12:19Z
dc.date.available	2019-04-02T10:12:19Z
dc.date.issued	2019-04-02
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48570
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15964
dc.rights	Default License
dc.subject	Γραμμή επαφής	el
dc.subject	Υστέρηση γωνίας επαφής	el
dc.subject	Διαβρεκτικότητα	el
dc.subject	Υπερυδρόφοβες επιφάνειες	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστομηχανική	el
dc.subject	Contact line	en
dc.subject	Contact angle hysteresis	en
dc.subject	Wettability	en
dc.subject	Superhydrophobic surfaces	en
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.title	Τριδιάστατη προσομοίωση στατικής και δυναμικής διαβρεκτικότητας μικρο- και νανο- δομημένων επιφανειών	el
dc.title	Three-dimensional simulation of static and dynamic wettability of micro- and nano- structured surfaces	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Φαινόμενα μεταφοράς	el
heal.classification	Computational fluid dynamics	en
heal.classification	Υπολογιστικές μέθοδοι στη ρευστοδυναμική	el
heal.classification	Contact angle	en
heal.classification	Wetting	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/a65c1830f6a2d2beba453fb9ab7604afd4f09810
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2007008173
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/e6ab3f6b562030c0c8396c8ff25de47e482748f3
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85031500
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85146333
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-10-05
heal.abstract	Ο σχεδιασμός τεχνητών μικρο- και νανο-δομημένων επιφανειών, με πρότυπο τις φυσικές μορφολογίες, είναι πολύ σημαντικός σε επίπεδο τεχνολογικών εφαρμογών όπως, μεταξύ άλλων, για τη μείωση της αντίστασης τριβής του νερού στο κύτος πλωτών σκαφών, για τη διαχείριση υγρών σε μικρο-συσκευές αναλύσεων (lab-on-a-chip), για τις διεργασίες επικάλυψης με υμένα (film coating) και για την αποδοτική λειτουργία κελιών καυσίμου (fuel cells). Η υλοποίηση των παραπάνω εφαρμογών, ωστόσο, δεν έχει ακόμα πλήρως επιτευχθεί λόγω περιορισμών στις μεθόδους κατασκευής τεχνητών μικρο- και νανο-δομημένων επιφανειών, καθώς και λόγω των ανεπαρκών δυνατοτήτων για ακριβή μοντελοποίηση της συμπεριφοράς υγρών σε τέτοιες σύνθετες δομημένες επιφάνειες. Η υπολογιστική μελέτη σε αυτή την εργασία, στοχεύει ουσιαστικά στην αντιμετώπιση του τελευταίου περιορισμού, επιτρέποντας τη ρεαλιστική μοντελοποίηση τόσο της στατικής όσο και της δυναμικής διαβρεκτικότητας σε κάθε είδους ετερογενή επιφάνεια. Οι συμβατικές μεθοδολογίες μοντελοποίησης των φαινομένων διαβροχής συνήθως αποτυγχάνουν να περιγράψουν επαρκώς την περίπλοκη συμπεριφορά μιας σταγόνας σε ένα τραχύ υπόστρωμα, ή απαιτούν απαγορευτικά μεγάλο υπολογιστικό κόστος για πραγματικές εφαρμογές με σταγόνες συνηθισμένου μεγέθους (ακτίνας μερικών χιλιοστών). Τα μοντέλα συνεχούς μέσου περιορίζονται λόγω της ανάγκης εφαρμογής συνοριακών συνθηκών σε πολλαπλές και άγνωστες σε αριθμό γραμμές επαφής των τριών φάσεων (υγρού-στερεού-αέρα) της σταγόνας. Τα μοντέλα μέσο- (lattice-Boltzmann) ή νάνο- (molecular dynamics) κλίμακας, που χρησιμοποιούνται συνήθως για τέτοιου είδους προβλήματα, ξεπερνούν τον παραπάνω περιορισμό, εντούτοις έχουν απαγορευτικά μεγάλες υπολογιστικές απαιτήσεις. Στην εργασία αυτή χρησιμοποιείται μια νέα μεθοδολογία συνεχούς μέσου, στην οποία υιοθετείται μια ενιαία αντιμετώπιση για τις διεπιφάνειες υγρού-αέρα και υγρού-στερεού της σταγόνας, η ισορροπία των οποίων καθορίζεται πλέον από διαμοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ στερεής και υγρής φάσης. Με την παραπάνω θεώρηση, η γωνία επαφής προκύπτει απλά από την αλληλεπίδραση υγρού-στερεού μέσω μιας πίεσης που συχνά ονομάζεται πίεση αποκόλλησης (disjoining pressure) και τις ιξώδεις τάσεις. Με αυτόν τον τρόπο καθίσταται μη αναγκαία η εφαρμογή οποιασδήποτε συνοριακής συνθήκης στις γραμμές επαφής των τριών φάσεων, επιτρέποντας έτσι την προσομοίωση ολόκληρων σταγόνων σε στερεές επιφάνειες με τραχύτητα και πολλαπλές δυναμικές γωνίες επαφής. Η παραπάνω προσέγγιση έχει εφαρμοστεί επιτυχώς τόσο για προσομοιώσεις στατικής ισορροπίας σταγόνων (τροποποιώντας την εξίσωση Young-Laplace) όσο και για δυναμικές προσομοιώσεις (τροποποιώντας τις εξισώσεις ροής (Navier-Stokes) στο υδροδυναμικό μοντέλο) κυλινδρικών ή αξονοσυμμετρικών σταγόνων. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εξέλιξη της παραπάνω μεθοδολογίας και η επέκταση του μοντέλου για την επίτευξη ρεαλιστικών τρισδιάστατων προσομοιώσεων που θα επιτρέψουν την αποδοτική πρόβλεψη της δυναμικής διαβρεκτικότητας σε κάθε είδους ετερογενούς επιφάνειας – με τριδιάστατη τοπογραφία. Η εργασία αυτή επικεντρώνεται στην ικανότητα της μεθόδου να υπολογίζει την υστέρηση της γωνίας επαφής, στατικής ή δυναμικής, με μοναδική παράμετρο το είδος και τη μορφολογία της στερεάς επιφάνειας. Για την ανάδειξη της σημασίας της γεωμετρίας της σταγόνας, έγινε σύγκριση υπολογιστικών προβλέψεων της υστέρησης, μεταξύ μιας κυλινδρικής σταγόνας (2D) και μιας πραγματικής τριδιάστατης σταγόνας (3D), που κυλάνε σε μια διδιάστατη γεωμετρία υπό μεγάλη κλίση. Η διδιάστατη θεώρηση βρέθηκε ότι υπερεκτιμά την υστέρηση της γωνίας επαφής και αποτυγχάνει στην πρόβλεψη της κύλισης ακόμα και για υψηλή κλίση του επιπέδου. Έπειτα, διερευνήθηκε η επίδραση της τριδιάστατης γεωμετρίας στερεών επιφανειών στην κινητικότητα των μικροσταγόνων. Παρουσιάζεται η διαφορά που προκαλούν διάφορες τυπικές τριδιάστατες τοπολογίες στην δυναμική υστέρηση σταγόνων και προτείνεται η συσχέτιση της φαινόμενης διαβρεκτικότητας με τις δυναμικές γωνίες επαφής που υπολογίζονται. Η πρόβλεψη της δυναμικής υστέρησης για μια τριδιάστατη επιφάνεια συγκρίθηκε και επαληθεύτηκε με αντίστοιχο πείραμα υπό τις ίδιες συνθήκες. Συμπερασματικά, αρχίζοντας από μια τριδιάστατη γεωμετρία με συγκεκριμένη τοπολογία, υπολογίστηκαν μοναδικά χαρακτηριστικά διαβροχής, δυναμικές γωνίες επαφής και υστέρηση. Οι υπολογισμοί συμφωνούν και με πειραματικά ευρήματα που αφορούν την γραμμή επαφής. Απεικονίσθηκε η ασυνεχή εξέλιξη της γραμμής επαφής στο πίσω τμήμα και ο ομαλός τρόπος κύλισης στο εμπρός τμήμα της σταγόνας, ενώ παρατηρήθηκε και το φαινόμενο της ανύψωσης κοντά στο μηνίσκο της σταγόνας. Για όλους τους υπολογισμούς που πραγματοποιηθήκαν, κύλιση της σταγόνας αρχίζει με την αποκόλληση του πίσω τμήματος της γραμμής επαφής (receding front). Η εγγενής αυτή σύνδεση της οπισθοχωρούσας γωνίας επαφής, θ ̅_rec, με την φαινόμενη υδροφοβικότητα μιας επιφάνειας, καθιστά την χρήση της θ ̅_rec ως την καταλληλότερη για τον χαρακτηρισμό μιας επιφάνειας ως υπερυδρόφοβη και την ποσοτικοποίηση των υδροφοβικών ιδιοτήτων της. Επιπλέον, έγινε προσπάθεια για την ρεαλιστική εκτίμηση της κρίσιμης γωνίας κλίσης μιας τραχιάς υπερυδρόφοβης επιφάνειας. Οι προβλέψεις του μοντέλου δίνουν ρεαλιστικές τιμές (5°-10°) για διάφορους όγκους σταγόνων σε υπερυδρόφοβη επιφάνεια και αντιστρόφως ανάλογη συσχέτιση με τον όγκο της σταγόνας, ενώ προβλέπουν ότι η υστέρηση είναι ανεξάρτητη του όγκου της σταγόνας. Τέλος, μέσω της θεώρησης της τραχύτητας μόνο κοντά στη γραμμή επαφής, η μέθοδος προβλέπει ότι η υστέρηση εξαρτάται μόνο από τα τοπικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στη γραμμή επαφής της σταγόνας και όχι από όλη την επιφάνεια διαβροχής με το στερεό. Με τη ρεαλιστική περιγραφή διάφορων φυσικών μηχανισμών διαβροχής που επιτεύχθηκαν σε αυτή τη μελέτη και παρατηρούνται και σε πειραματικά ευρήματα, αποδεικνύεται ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία αποτελεί ένα πολύτιμο εργαλείο για τον σχεδιασμό ετερογενών επιφανειών με πλήρως ελεγχόμενη διαβρεκτικότητα, απαραίτητες σε τεχνολογικές εφαρμογές.	el
heal.abstract	The design of artificial micro- and nano- patterned surfaces, inspired by the natural ones, has a great technological impact and could be exploited, among others, for reducing drag in ship hulls, transporting liquids in miniaturized lab-on-a chip, for film-coating applications and for improving the efficiency of fuel cells. Despite their significance, the above-mentioned applications are, however, limited due to severe restrictions in the micro-fabrication methods as well as the inadequate capability to precisely model the liquids behavior on complex, micro-textured surfaces. The computational study in this thesis aims at addressing the latter limitation, enabling the efficient modeling of both statics and dynamics of wetting on any kind of heterogeneous surface. The conventional modeling approaches of wetting phenomena have been proven insufficient for the design of such functional surfaces since: either they fail to adequately describe the complicated behavior of a droplet on a rough substrate, or demand vast computational resources for real-life applications with millimeter-sized droplets. On the one hand, the main drawback of the continuum level approaches is the tedious implementation of explicit boundary conditions to an a priory unknown number of the droplet’s three-phase contact lines. On the other hand, the fine scale approaches (lattice-Boltzmann, molecular dynamics), usually implemented for the same task, do not suffer from the above restriction, however, demand prohibitively high computational power. In this thesis a novel continuum-level, sharp-interface scheme is used, in which the liquid-ambient and liquid-solid interfaces of the droplet are treated in a unified context, the balance of which is now determined by intermolecular interactions between the solid and liquid phases. This way, the dynamic contact angle emerges naturally due to the combined action of the disjoining and capillary pressure, and viscous stresses without the need of an explicit boundary condition, thus enabling the efficient simulation of entire millimeter-sized droplets on structured substrates with multiple dynamic contact lines. The above approach has been successfully used to perform both static (by modifying the Young-Laplace equation) and dynamic simulations (by modifying the Navier-Stokes flow equations in the hydrodynamic model) for cylindrical and axisymmetric drops. The aim of this diploma thesis is the development of the above methodology and the extension of the model for the realization of realistic three-dimensional simulations – for millimeter-sized droplets – which will enable the efficient prediction of the wettability on any kind of heterogeneous surface with a three-dimensional topography. We focus our study on demonstrating the intrinsic capability of our proposed model to provide a realistic prediction of either static or dynamic contact angle hysteresis, given only the geometrical topography of a solid surface. To illustrate the importance of the droplet geometry, computational predictions of hysteresis were compared between a cylindrical droplet (2D) and a three-dimensional droplet (3D), sliding on a two-dimensional geometry (stripes) at a high inclination angle. In the two-dimensional (cylindrical) droplet, the model seems to overestimate the contact angle hysteresis and fails to capture the correct rolling behavior of the droplet even at a high inclination angle. Then, the effect of the topography of a three-dimensional solid surface on the mobility of droplets, was investigated. We present the different dynamic contact angle hysteresis produced by various typical three-dimensional topologies and a correlation between dynamic contact angles and apparent wettability is proposed. The prediction of the dynamic hysteresis for a three-dimensional surface from our model was also compared and validated with a corresponding experiment under the same conditions. Starting with a three-dimensional geometry with a specific topology, results in unique wetting properties, dynamic contact angles and hysteresis. Our model also agrees with experimental findings regarding the advancement of the contact line. We illustrate the discontinuous evolution of the contact line at the receding front and the gradual rolling exhibited at the advancing front of the droplet, as well as the bulging observed near the meniscus of the droplet. According to our simulations, the sliding of the droplet begins with the depinning of the receding front. This inherent connection of the receding contact angle with the apparent super hydrophobicity of a surface, indicates that θ ̅_rec is suitable for the characterization of super hydrophobic surfaces. In addition, we attempt to assess the suitability of our model to realistically predict the critical inclination angle of a rough superhydrophobic surface. Our model successfully predicts realistic critical roll-off angles ranging from 5° to 10°, with an inversely proportional relation to the volume of the droplet, while also suggesting that contact angle hysteresis is independent of the volume of a droplet. Finally, by considering the roughness of a surface only near the contact line, we demonstrate that the model predicts the contact angle hysteresis is only dependent on the local phenomena near the contact line and is independent of the surface area that wets a surface. With the realistic description of various wetting mechanisms achieved in this study, that fall in line with experimental findings, we showed that the proposed methodology is a valuable tool for designing heterogenous surfaces with fully controlled wettability, necessary for technological applications.	en
heal.advisorName	Παπαθανασίου, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Παπαθανασίου, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Ωραιοπούλου, Βασιλική	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	76 σ.
heal.fullTextAvailability	true