عنوان پایان‌نامه
بررسی تغییرات زاویه تماس قطره مایع در تماس با سطح جامد در حالت تبخیر و بدون تبخیر با استفاده از روش بولتزمن شبکه ای
- رشته تحصیلی
- مهندسی هوا - فضا - جلوبرندگی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 70069
- تاریخ دفاع
- ۲۵ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- احسان ریحانیان
- استاد راهنما
- روزبه ریاضی
- چکیده
- شبیه‌سازی قطره مایع و بررسی تغییرات زاویه تماس آن در تماس با سطح جامد در حالت تبخیر و بدون تبخیر ، هدف اصلی پروژه حاضر می‌باشد. برای این منظور روش بولتزمن شبکه‌ای در حالت دوبعدی مورد استفاده قرار گرفته است. در گام نخست جریان تکفاز هم‌دما در هندسه‌های مختلف شبیه‌سازی و با نتایج تجربی و تحلیلی موجود صحت‌سنجی شده است. پس از آن جریان تکفاز همراه با انتقال حرارت بررسی شده است. برای شبیه‌سازی جریان همراه با انتقال حرارت از مدل اسکالر منفعل استفاده گردیده است. به منظور صحت‌سنجی مدل مذکور، مسئله جابجایی رایلی بنارد شبیه‌سازی شده و مقدار عدد ناسلت کل میدان محاسبه شده است. مقایسه نتایج بدست آمده با نتایج موجود در تحقیقات پیشین صحت مدل اسکالر منفعل را تأیید می‌کند. سپس جریان دوفازی حاوی قطره و محیط گاز پیرامون آن با استفاده از روش "لی" شبیه‌سازی شده است. دلیل استفاده از روش لی این است که مدل مذکور در محدوده وسیعتری از نسبت چگالی و لزجت قابل اجرا است. در حالیکه روش‌های پیشنهادی دیگر که معروفترین آنها روش شان و چن است، علیرغم سادگی در اجرا، از نقطه نظر کاربردی دارای ضعف عمده می‌باشد. برای صحت‌سنجی روش لی از قانون لاپلاس و ناپایداری رایلی-تیلور استفاده شده است. همچنین برای در نظر گرفتن اثرات دیواره، شرط مرزی مناسب معرفی شده و با نتایج تحلیلی مقایسه شده است. در نهایت با ادغام مدل لی و مدل اسکالر منفعل و افزودن ترم چشمه مناسب به معادله کان-هیلیارد و اعمال شرط مرزی مربوط به دیواره، پدیده تغییر فاز ناشی از اختلاف دما مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین تأثیر عدد استفان، نسبت چگالی و عدد پرنتل مایع بر فرایند تبخیر قطره برروی سطح مورد بررسی قرار گرفته است. مشاهده شده است که با افزایش عدد استفان و کاهش نسبت چگالی نرخ تبخیر افزایش می‌یابد.
- Abstract
- Abstract: The main aim of the cuurent work is to study the variations of contact angle in evaporating and non-evaporating droplet on a substrate. To achieve this purpose, the Lattice Boltzmann Method has been employed. First, isothermal single-phase flow was simulated and validated with benchmarks like channel flow and pouiselle flow. Then the effects of heat transfer was added to single-phase flow by using passive scalar method. The model was validated with the well-known Rayleigh-Benard convection problem. In the next step, two-phase lattice Boltzmann method was introduced. We have employed the lee method because of it’s capability of simulating two-phase flows with larg density ratio. It was observed that the parasitic currents were eliminated to round off by using this model. The wetting characterisitcs of the substrate were included by using the wall free energy approach. A sufficient source term was added to the cahn-hilliard equation to take into account the phase-chang phenomenon. The model was validated with one-dimensional Stefan problem and verifying the satisfaction of the laplace-law in an evaporating droplet. Finally the behavior of an evaporating droplet on a hot substrate was studied. Since our substrate is perfectly smooth and there is no contact angle hysteresis, the dominant regime of evaporation was found to be de-pinning; in which the contact angle is constant and the wetting diameter decreases linearly. Other researches show that the contact angle hysteresis depend on the rugosity of the substrate and it plays an important role in the evaporation behavior. The effects of Stefan number, density ratio and liquid prandtl number were veified. The rate of evaporation increases with the increment of Stefan number and decrement of density ratio. The liquid prandtl number becomes important when the temperature inside the droplet is not assumed to be constant. Keywords: Lattice Boltzmann Method, Contact angle hysteresis, evaporation behavior
