Μοντελοποίηση με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων της πρόσκρουσης σταγόνας σε
λεία επιφάνεια και επιφάνεια με τραχύτητα με διαφορετικά μορφολογικά χαρακτηριστικά

Γούναρη, Μαρίνα; Gounari, Marina

dc.contributor.author	Γούναρη, Μαρίνα	el
dc.contributor.author	Gounari, Marina	en
dc.date.accessioned	2022-09-15T08:38:19Z
dc.date.available	2022-09-15T08:38:19Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55670
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23368
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	Υδρόφοβες/υδρόφιλες επιφάνειες	el
dc.subject	Γωνία επαφής	el
dc.subject	Ταχύτητα πρόσπτωσης/ταχύτητα πρόσκρουσης σταγόνας	el
dc.subject	Μορφολογία/τραχύτητα επιφάνειας	el
dc.subject	Πλέγμα	el
dc.subject	Μέθοδος Level Set	el
dc.subject	Μέθοδος Phase Field	el
dc.subject	Εξάπλωση/αναπήδηση	el
dc.subject	Hydrophobic/hydrophilic surfaces	en
dc.subject	Contact angle	en
dc.subject	Droplet impact velocity	en
dc.subject	Surface morphology/roughness	en
dc.subject	Qdaptive mesh refinement	en
dc.subject	Level set method	en
dc.subject	Phase field method	en
dc.subject	Spreading/bounce	en
dc.title	Μοντελοποίηση με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων της πρόσκρουσης σταγόνας σε λεία επιφάνεια και επιφάνεια με τραχύτητα με διαφορετικά μορφολογικά χαρακτηριστικά	el
dc.title	Modeling with the finite element method of droplet impact on a flat and a rough surface with various structural features	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μικρο-νανοκατεργασίες	el
heal.classification	Micro-nanotechnology	en
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-03-09
heal.abstract	Η μελέτη της δυναμικής αλληλεπίδρασης της σταγόνας με στερεή επιφάνεια μπορεί να συμβάλλει στην βελτιστοποίηση διαφόρων εφαρμογών, αξιοποιώντας ιδιότητες όπως η υδροαπωθητικότητα, η αντιπαγωτική ιδιότητα και η αντιβακτηριδιακή ιδιότητα. Η δυναμική αλληλεπίδραση της σταγόνας με τη στερεή επιφάνεια χρησιμεύει στον καθαρισμό της επιφάνειας με την τεχνητή αφαίρεση σωματιδίων της σκόνης από αυτή, μιμούμενη φυσικά φαινόμενα όπως αυτό του λωτού. Η μελέτη της δυναμικής αλληλεπίδρασης σταγόνας με στερεή επιφάνεια μπορεί να βελτιώσει και ενισχύσει την μεταφορά θερμότητας (εναλλάκτες θερμότητας) ή να συμβάλλει στην ψύξη μιας επιφάνειας (ψύξη με ψεκασμό) με την μείωση της υδροφοβικότητας, στην εκτύπωση με μελάνι και σε κατεργασίες όπως στην χημική επίστρωση, στην συγκόλληση υψηλής ακρίβειας με διάσπαση σταγόνων. Όταν μια σταγόνα επιδρά με δυναμικό τρόπο σε μια στερεή επιφάνεια διέρχεται από τα εξής στάδια: εξαπλώνεται, συμπτύσσεται, ταλαντώνεται, και αναπηδά. Με τη χρήση των κατάλληλων μεθόδων κατεργασίας καθίστανται δυνατός ο έλεγχος της εξάπλωσης της σταγόνας και οι χρήσιμες ιδιότητες που αποκτά όταν προσκρούει δυναμικά σε στερεές επιφάνειες, έχοντας κρίσιμο ρόλο στην βελτιστοποίηση των μηχανολογικών εφαρμογών. H παρούσα διπλωματική εργασία στοχεύει στην δημιουργία μοντέλων για την προσομοίωση διαβροχής βιομιμητικών επιφανειών. Τα μοντέλα αυτά προσομοιάζουν την διαβροχή υδρόφοβων ή υδρόφιλων επιφανειών ενσωματώνοντας μεγέθη γεωμετρικά ή κινηματικά που ενισχύουν τον υδρόφοβο ή υδρόφιλο χαρακτήρα τους. Κύριος άξονας της μελέτης είναι το φαινόμενο της δυναμικής πρόσκρουσης σταγόνας σε στερεή επιφάνεια και η μοντελοποίηση του. Μελετάται η δυναμική πρόσπτωση σταγόνας νερού σε επιφάνειες με διαφορετικά στατικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την κατάσταση διαβροχής όπως η τραχύτητα επιφάνειας, η γωνία επαφής είτε δυναμικά χαρακτηριστικά όπως η ταχύτητα πρόσπτωσης. Η δημιουργία των μοντέλων και η εξαγωγή αποτελεσμάτων μέσω της προσομοίωσης του φαινομένου επιτυγχάνεται μέσω υπολογιστικού προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων με τις κατάλληλες απλουστευτικές παραδοχές και τον καθορισμό της 2-διάστατης αξονοσυμμετρικής γεωμετρίας, των απαιτούμενων συνοριακών και αρχικών συνθηκών. Οι παράμετροι που επηρεάζουν την δυναμική συμπεριφορά της σταγόνας είναι η γωνία επαφής της, η ταχύτητα πρόσπτωσης, η διάμετρος της σταγόνας, το υλικό της σταγόνας αλλά και η ύπαρξη τραχύτητας στην επιφάνεια και συνεπώς η γεωμετρία της. Για την υλοποίηση της εφαρμόζεται η στρωτή ροή των ρευστών στα πεδία αέρας-σταγόνα. Η ανίχνευση της διεπιφάνειας ρευστού και αερίου έγινε με τη μέθοδο Level Set ή με τη μέθοδο Phase Field. Η παραμετροποίηση των επιφανειών ως προς την γωνία επαφής σε λεία επιφάνεια ή ως προς την τραχύτητα σε επιφάνεια με τραχύτητα για διαφορετικές τιμές ταχύτητας οδηγεί στα αναμενόμενα αποτελέσματα σύμφωνα και με τα πειραματικά δεδομένα με κάποιες αποκλίσεις. Ταυτόχρονα και η δημιουργία πανομοιότυπων μοντέλων με μοντέλα επιστημονικών άρθρων συντελεί στην επαλήθευση τους, στη σύγκριση τους και την επέκτασή τους. Για την μελέτη αυτών των παραγόντων απαιτείται η ταυτόχρονη μελέτη και εύρεση των κατάλληλων υπολογιστικών παραμέτρων του πλέγματος και της φυσικής. Για την βέλτιστη δημιουργία πλέγματος, παράγεται σε αρκετές περιπτώσεις πλέγμα που προσαρμόζεται στην δυναμική κίνηση της σταγόνας (adaptive mesh refinement). Συγκεκριμένα δημιουργήθηκαν μοντέλα με διαφορετικές γωνίες επαφής ή ταχύτητες πρόσπτωσης σε λείες επιφάνειες και μοντέλα με διαφορετικές γωνίες επαφής ή ταχύτητες πρόσπτωσης σε επιφάνειες με διαφορετικές γεωμετρίες και εκτάσεις τραχύτητας. Εξετάστηκε η επίδραση της γωνίας επαφής σε λεία φαινομενικά επιφάνεια και σε επιφάνεια με το τελευταίο επίπεδο της τραχύτητας καθώς και επίδραση της αρχικής ταχύτητας πρόσπτωσης. Παράλληλα εξετάστηκε εκτενώς και η επίδρασή των παραγόντων αυτών κατά την δυναμική πρόσκρουση σταγόνας σε επιφάνεια με τοπική τραχύτητα ή ισοδύναμα σε επιφάνεια με μεμονωμένο εντοπισμένο εμπόδιο. Οι φάσεις εξάπλωσης της σταγόνας για υδρόφιλες γωνίες, της συσπείρωσης και αναπήδησης της για υδρόφοβες γωνίες ή επιφάνειες με τραχύτητα απαθανατίζονται και μελετώνται ως προς σταθερά σημεία ή από αδιάστατους παράγοντες των κινούμενων σημείων όπως ο αδιάστατος παράγοντας εξάπλωσης β, το αδιάστατο ύψος της σταγόνας αλλά και αδιάστατοι χρόνοι διάσπασης και αναπήδησης της σταγόνας. Με την αύξηση της γωνίας επαφής η σταγόνα παρουσιάζει μικρότερη εξάπλωση ενώ το αντίθετο συμβαίνει με την μείωση της γωνίας επαφής με κρίσιμο παράγοντα και την ταχύτητα πρόσπτωσης. Επίσης παρατηρείται ότι για διαφορετικά υλικά της σταγόνας όπως η ισοπροπανόλη και η προπανόνη η σταγόνα παρουσιάζει μεγάλο βαθμό εξάπλωσης ακόμη και για υδρόφοβες γωνίες.	el
heal.abstract	The dynamic droplet impact process is likely to contribute to the optimization of applications that include self-cleaning processes of surfaces from dust, heat transfer via heat exchangers or cooling of a surface related to the hydrophobicity of the latter. Should the dynamic droplet impact on a solid surface be holistically approached, it will reinforce the antibacterial, anti-icing and cleaning properties of the surfaces. In addition, it is integrated in other manufacturing processes such as spray cooling, chemical coating, solder-drop dispensing and inkjet printing. When the droplet interact with the surface on a dynamic way it is subject to the following stages: spreading, retraction, oscillation and finally bounce. The controlling of droplet spreading via manufacturing material processes seems to be crucially advantageous to the further understanding and upscaling of mechanical applications. The current abstract targets the production of computational models simulating the wetting condition of biomimetic surfaces. The models tend to simulate procedures in the scope of wetting surfaces with hydrophobic or hydrophilic character including kinematic or geometric magnitudes which enhance them. The core subject of this study is the modelling of the dynamic droplet impact on a solid surface. The dynamic droplet impact is studied on surfaces with different static characteristics involving the surface roughness, the contact angle or dynamic characteristics involving the impact droplet velocity. Not only do the contact angle between the droplet and the air, the impact velocity, the surface tension between liquids and air affect droplet’s morphology and behaviour individually but also in accordance with each other. Different wetting characteristics of the solid surface or the droplet are the key factors of a solid surface wetting capacity, as the surface morphology is defined via the contact angle or the geometrical roughness. The models and the processes are designed and computed on 2D asymmetrical basis via a finite element simulation program. In the simulation program all the necessary boundary conditions are defined as well as the initial condition including all the prerequisite assumptions. It is established the laminar fluid flow for the model of droplet and air and the fluid interface is tracked through Level Set or Phase Field. The contact angle or the surface roughness as utilised as parameters of the surface wetting capacity. The models and their results are compared and validated with experimental or computational results of the reported bibliography. The adjustment of mesh generation through adaptive mesh refinement and the determination of physics parameters is also vital to ensure the efficiency of the simulation. As the dynamic procedure of a droplet impingement on a flat surface or a surface with roughness is of great importance, it is studied explicitly by models with different contact angles on flat and rough surfaces having various impact velocities. The phases of breaking up or splashing on hydrophilic surfaces or correspondingly retracting and bouncing on hydrophobic surface are all captured and allocated by external moveless points or by non-dimensional factors of moving points such as the spreading factor β, the apex height, the time of droplet break and the time of droplet bounce. Additionally, the profile of roughness either extended either localised determines the droplet’s development including droplet’s break up or bounce. The increase in contact angle reflects a hydrophobic surface with decreased splashing while the opposite happens when the contact angle is smaller. A crucial factor remains also the velocity of the droplet during the impact. Were the droplet to be made of isopropanol or propanone, then it displays higher spreading rate even for hydrophobic contact angles.	en
heal.advisorName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.committeeMemberName	Βοσνιάκος, Γεώργιος-Χριστόφορος	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Τεχνολογίας των Κατεργασιών. Εργαστήριο Κατεργασιών των Υλικών (Μηχανουργικό και Μηχανολογικό Εργοστάσιο)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	145 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false