Αναπήδηση και αποκόλληση επικαθήμενων σταγόνων από στερεές επιφάνειες

Θεοδώρου, Νικόλαος; Theodorou, Nikolaos

dc.contributor.author	Θεοδώρου, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Theodorou, Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2022-02-09T09:17:05Z
dc.date.available	2022-02-09T09:17:05Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54599
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22297
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Σταγόνες	el
dc.subject	Ηλεκτροδιαβροχή	el
dc.subject	Αποκόλληση	el
dc.subject	Επιφανειακή τάση	el
dc.subject	Πεπερασμένα στοιχεία	el
dc.subject	Droplets	en
dc.subject	Electrowetting	en
dc.subject	Detachment	en
dc.subject	Surface tension	en
dc.subject	Finite elements	en
dc.title	Αναπήδηση και αποκόλληση επικαθήμενων σταγόνων από στερεές επιφάνειες	el
dc.title	Bouncing and Detachment of Sessile Droplets from Solid Surfaces	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υπολογιστική Ανάλυση Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.classification	Computational Analysis of Transport Phenomena	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-10-11
heal.abstract	Η ανάγκη αποκόλλησης σταγόνων από στερεές επιφάνειες εμφανίζεται σε πολυάριθμες συσκευές και διατάξεις, όπως παράθυρα αυτοκινήτων, εναλλάκτες θερμότητας κ.ά. . Η αποκόλληση των σταγόνων μπορεί να πραγματοποιηθεί με ποικίλες μεθόδους, με αυτήν της ηλεκτροδιαβοχής να εμφανίζει υψηλότερη αποδοτικότητα και ακρίβεια στον έλεγχο των σταγόνων έναντι των υπολοίπων. Η ηλεκτροδιαβροχή αποτελεί τεχνική εφαρμογής ηλεκτρικής τάσης σε ηλεκτρόδια πάνω στα οποία βρίσκονται ηλεκτρικά μονωμένα τοποθετημένες σταγόνες. Η εφαρμογή της ηλεκτρικής τάσης οδηγεί σε έλξη της σταγόνας από το στερεό υπόστρωμα στο οποίο βρίσκεται και άρα σε μείωση της γωνίας επαφής της. Η ηλεκτροδιαβροχή είναι μία μέθοδος που χρησιμοποιείται γενικά για το χειρισμό και τη μετακίνηση των σταγόνων και όχι μόνο στην απομάκρυνσή τους από επιφάνειες. Μέσω αυτής μπορούν να κατασκευαστούν συστήματα ψηφιακής μικρορευστονικής με πολυάριθμα ηλεκτρόδια, τα οποία ελεγχόμενα από ηλεκτρονικούς υπολογιστές είναι ικανά να μετατοπίσουν επακριβώς μία σταγόνα πάνω σε μία επίπεδη επιφάνεια, να τη χωρίσουν σε μικρότερες, ή να ενώσουν δύο σταγόνες σε μία. Τέτοια συστήματα έχουν ποικίλες εφαρμογές, ιδίως βιολογικού χαρακτήρα. Για το σωστό σχεδιασμό των διατάξεων ελέγχου σταγόνων είναι σημαντικό να υπάρχει η ικανότητα προσομοίωσης και πρόβλεψης της συμπεριφοράς των σταγόνων, καθώς με αυτόν τον τρόπο μπορεί να καταστεί γρηγορότερη και οικονομικότερη η κατασκευή λειτουργικών συσκευών. Η ερευνητική ομάδα υποστήριξης της διπλωματικής εργασίας έχει αναπτύξει ένα μοντέλο προσομοίωσης σταγόνων πάνω από στερεές επιφάνειες, στο οποίο η αλληλεπίδραση των σταγόνων με τις επιφάνειες περιγράφεται από έναν επιπλέον όρο πίεσης που εισέρχεται στην εξίσωση Young – Laplace, για την έκφραση ενός ολοκληρωμένου ισοζυγίου μηχανικής ισορροπίας της σταγόνας. Αυτή η επιπλέον πίεση που εισάγεται, ονομάζεται πίεση αποσύνδεσης (disjoining pressure). Σε αυτήν την εργασία, ενσωματώνοντας το παραπάνω μοντέλο στο λογισμικό COMSOL Multiphysics®, πραγματοποιήθηκε προσομοίωση της αποκόλλησης σταγόνων από ένα στερεό υπόστρωμα μέσω ηλεκτροδιαβροχής. Η διαδικασία απομάκρυνσης σταγόνων μέσω ηλεκτροδιαβροχής αποτελείται από ένα αρχικό στάδιο στο οποίο εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση στα ηλεκτρόδια του υποστρώματος, απλώνοντας τις σταγόνες πάνω στο υπόστρωμα, και ένα δεύτερο στάδιο, κατά το οποίο η εφαρμοζόμενη τάση αναιρείται, οι σταγόνες αρχίζουν να ανακτούν το αρχικό σχήμα τους και αποκολλώνται από το υπόστρωμα, εφόσον η επιφανειακή ενέργεια που τους έχει δοθεί μέσω της παραμόρφωσης είναι αρκετή. Οι προσομοιώσεις που εκτελέστηκαν περιλαμβάνουν την εφαρμογή απλών και διπλών τετραγωνικών παλμών συνεχούς ηλεκτρικής τάσης. Προσομοιώθηκαν διαφορετικά σενάρια εφαρμοζόμενης διαφοράς δυναμικού και όγκου σταγόνας, των οποίων τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα πειραματικά που αναγράφονται στο άρθρο των Lee et al.1 Στόχος της εργασίας ήταν η εξέταση της ικανότητας του μοντέλου πίεσης αποσύνδεσης να περιγράψει την αποκόλληση σταγόνων από επιφάνειες μέσω ηλεκτροδιαβροχής. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν ότι το μοντέλο μπορεί να περιγράψει πολύ καλά τα σχήματα που εμφανίζουν οι σταγόνες, δίνοντας πολύ καλή συμφωνία με τα πειράματα. Εμφανίστηκαν, όμως και αποκλίσεις ως προς το μέγιστο ύψος που προσλαμβάνουν η σταγόνες μετά την αποκόλλησή τους, οι οποίες ενδέχεται να οφείλονται και σε διαταραχή των πειραματικών αποτελεσμάτων από τα ηλεκτρόδια, που αλληλεπιδρούν με τις σταγόνες μέσω δυνάμεων συνάφειας στην πειραματική διάταξη. Επίσης, επιβεβαιώθηκε ότι η εφαρμογή διπλών παλμών επιτρέπει αποκόλληση των σταγόνων με χαμηλότερη εφαρμοζόμενη τάση σε σύγκριση με την εφαρμογή απλών παλμών.	el
heal.abstract	The need to detach liquid droplets from solid surfaces arises in numerous processes and devices, e.g., in automobile windows, heat exchangers, etc. The detachment of the droplets can be accomplished with various methods, with those based on electrowetting offering higher efficiency and accuracy in controlling the droplet behavior. Electrowetting involves the application of an electric potential difference between a droplet and an electrode on top of which the droplet is deposited, with a layer of insulating material in-between that prevents direct electrical contact between the droplet and the electrode. The application of voltage leads to attraction of the droplet by the solid substrate and reduction of the contact angle between the droplet and the substrate. Electrowetting is a general and versatile method that is used to manipulate droplets on solid substrates in various ways, not necessarily involving detachment from the substrates. It forms a basis for the manufacture of digital microfluidic systems with numerous electrodes, which allow precise computer-controlled displacement of a droplet on a solid surface, division of the droplet into smaller ones, or coalescence of two droplets into a single one. Such systems find many applications, especially in bioengineering. For the correct design of droplet control systems it is important to develop an ability to simulate and predict the behavior of droplets on solid substrates; accurate modeling and prediction save time and expense in the design and manufacture of devices with tailor-made characteristics. The research group which supports the diploma thesis has developed a model for simulating droplets on solid substrates, in which the interaction between a droplet and the substrate is described in terms of an extra pressure term, which enters the Young-Laplace equation in expressing a balance condition for the mechanical equilibrium of the droplet. This extra pressure is named disjoining pressure. In this diploma thesis we incorporate the model mentioned above within a partial differential equation formulation for droplets on solid substrates, which we solve with the Finite Element Method using the COMSOL Multiphysics® software package. We simulate processes of detachment of droplets from a planar solid surface that take advantage of the phenomenon of electrowetting. The process of removing a droplet from the substrate comprises an initial stage, during which an electric potential difference is applied on the electrodes, causing the droplet to spread against the substrate. In a second stage, the applied potential difference is removed, the droplet starts shrinking laterally gaining vertical momentum and detaches itself from the substrate, provided the surface energy imparted to it during the field-induced deformation of the first stage is sufficiently high. The simulations executed included application of single and double square pulses of continuous voltage. Various scenarios have been investigated by varying the imposed voltage and the droplet size. Predicted results have been compared against the corresponding experimental measurements reported in the article of Lee et al.1 An objective of the thesis was to investigate the ability of the disjoining pressure model to describe electrowetting-induced droplet detachment from the substrates. The simulation results showed that the model can describe very well the shapes adopted by the droplets following removal of the voltage, generally leading to very good agreement with experiments. Some deviations were noted in the maximal height reached by droplets following their detachment; these deviations may be due to perturbations of the experimental measurements by adhesion forces between the droplets and counter-electrodes, which are not included in the simulations. Furthermore, it was confirmed that the application of double pulses allows detachment of the droplets at lower voltage in comparison to the application of single pulses.	en
heal.advisorName	Παπαθανασίου, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	59 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false