SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Mahmood Masoomi
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد راهنما) محمود معصومی (استاد مشاور)
STUDENT
Marjan Zarshenas
مرجان زرشناس
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Mesoscopic Simulation of Collision of a Droplet Containing Additives to a Solid Surface Using MDPD Method
Drop impact phenomenon plays a remarkable role in a wide range of scientific and industrial applications such as inkjet printing, coating sprays, decreasing water drop erosion in steam turbine blades, agricultural applications in order to increase pesticides’ effect and decreasing soil erosion and even blood spatter analysis in forensic laboratories. In this regard several experimental as well as theoretical and numerical studies have been performed. Due to limitations of experimental and theoretical approaches, recently numerical procedures have been developed broadly for this purpose. Among these methods, multi- body dissipative particle dynamics (MDPD) is an emerging particle based and meso- scale scheme which is appropriate to study multi-phase systems specially liquid-vapor interfaces. With respect to standard Dissipative Particle Dynamics (DPD) method, in MDPD the conservative force consists of two parts: the repulsive force which depends on particle local density and the attractive force which is density independent. Besides, like standard DPD method, dissipative and random forces are used to provide viscous effects and compensate the loss of degrees of freedom due to coarse- graining, respectively. According that MDPD forces are short -range, each particle interacts with those particles which is within a certain radius called cut- off radius. In the present work, MDPD method is applied to simulate the impact of a liquid drop on a solid surface .In order to control the behavior of drop after collision, altering liquid properties by adding small amount of flexible polymers, changing wettability of solid surface from hydrophobic to hydrophilic substrate are investigated. Changing the dynamic characteristic of liquid drop as a result of initial impact velocity is also inquired. In this regard, Newtonian drop and Non- Newtonian drop containing polymer with different concentration of 100, 300, 500 and 1000 ppm are simulated using MDPD method. The Non-Newtonian fluid used here is a low concentration of Poly Ethylene Oxide 300k (PEO) dissolved in the Newtonian liquid which is 1:1 mixture of distilled water and ethylene glycol. Moreover, solid surface has been simulated using freezed DPD particles and the particle penetration into the solid surface is prevented by bounce- back model. To validate the results, dimensionless spreading diameter and dimensionless drop height changes versus dimensionless time are compared with experimental results. In the case of Newtonian drop impact, increasing Weber enhances spreading velocity and consequently reduces spreading time. If Weber goes up to a certain value, splashing phenomenon on solid surfaces with equilibrium contact angle equal or more than 90 o is observed. Additionally, in the case of hydrophobic or super- hydrophobic surfaces, liquid drop rebounds. Adding flexible polymers to the drop increases relaxation time and suppresses contact line velocity during retraction of drop after collision. Thus, for the case that Newtonian drop rebounds, adding merely 100 ppm of PEO polymer decreases retraction velocity and prevents drop rebound. Increasing the wettability of solid surface in collision of both Newtonian and Non- Newtonian drop, indicates the domination of surface effect which suppresses drop retraction and recoiling. Key Words Dissipative Particle Dynamics, Flory Huggins Theory, Micro Drop, PEO Polymer Contained Drop, Drop Impact on a Solid Surface.
پدیده برخورد قطره به سطوح جامد به دلیل کاربردهای گسترده ای که در صنعت، کشاورزی، پزشکی و غیره دارد، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در همین راستا، کنترل رفتار قطره پس از برخورد به سطح برای جلوگیری از حوادث احتمالی و آسیب ناشی از پاشش یا رسوب قطرات با دمای بالا در صنعت، کاهش آلودگی و افزایش کارایی سموم و آفت کش ها در بخش کشاورزی، ارتقای کیفیت تصویر در چاپگرهای جوهرافشان و بهبود کیفیت و پوشش دهی در اسپری های رنگ و پوششی، از دیگر مباحث مهم در بررسی این پدیده می باشد. تغییر خواص فیزیکی سیال با افزودن مواد افزودنی و تغییر خواص سطح برخورد از روش های عمده در کنترل رفتار قطره پس از برخورد به شمار می آیند. در این میان افزودن مقادیر اندک از مواد پلیمری و یا مواد فعال سطحی(سورفکتانت) نقش به سزایی در کنترل این پدیده دارد. با توجه به محدودیت هایی که در روش های تجربی و تحلیلی در بررسی پدیده برخورد قطره حاوی مواد افزودنی وجود دارد، روش های عددی به عنوان ابزاری قدرتمند برای تحلیل این پدیده ها به کار گرفته می شود. یکی از روش های عددی سه بعدی، روش مبنا ذره ای دینامیک استهلاکی ذره ( DPD) می باشد که یک روش مزوسکوپیک محسوب می شود و با تعریف متفاوتی از نیروی بقایی و استفاده از چگالی محلی، این روش به روش MDPD تعمیم داده می شود که برای تشکیل و بررسی سیال سطح آزاد به کار می رود. در این پژوهش، بررسی رفتار قطره سیال نیوتنی و غیر نیوتنی(حاوی مواد افزودنی مانند پلیمر) در تماس با سطح جامد با استفاده از روش MDPD در حالت های استاتیکی و دینامیکی دنبال می شود. در این راستا، نخست شیوه محاسبه خواص فیزیکی سیال نظیر چگالی، کشش سطحی و لزجت با استفاده از این روش ارائه شده است. پس از آن روش MDPD به عنوان روشی مناسب در شبیه سازی جریان های دوفازی و سطح آزاد معرفی می گردد و مفهوم پارامتر فلوری- هاگینز در روش MDPD برای سیال های غیرهمگن (غیر نیوتنی) بیان شده و بر اساس آن ضرائب نیروها در این روش تعیین می شود. با شبیه سازی قطره سیال نیوتنی و غیرنیوتنی (حاوی مواد پلیمری) به روش MDPD و ارائه مدل مناسب برای جسم جامد، پدیده برخورد قطره سیال نیوتنی و حاوی پلیمر به روش MDPD شبیه سازی و الگوی رفتار قطره پس از برخورد با سطح جامد با مقایسه نمودارهای بدون بعد تغییرات ارتفاع و قطر قطره بر حسب زمان بدون بعد تعیین می گردد. در نهایت، تاثیر عوامل دیگر بر رفتار قطره پس از برخورد نظیرعدد وبر، اثر سطح و افزودن پلیمر PEO مورد بررسی قرار خواهند گرفت و به منظور اعتبار سنجی شبیه سازی نتایج به دست آمده با داده ها و نمودارهای تجربی و روابط تئوری موجود مقایسه خواهند شد. به واسطه افزایش عدد وبر، سرعت پخش قطره بر روی سطح افزایش و در نتیجه زمان پخش کاهش می یابد. در صورتی که عدد وبر از محدوده مشخصی بیشتر شود، پدیده پاشش بر روی سطوح خنثی و یا آبگریز و بازگشت قطره بر روی سطوح آبگریز مشاهده می شود. در اثر افزودن پلیمر به قطره سیال نیوتنی، در اثر افزایش زمان استراحت محلول پلیمری، سرعت بازگشت خط تماس قطره پس از برخورد کاهش می یابد که در اعداد وبر بالا از بازگشت قطره از روی سطح جامد جلوگیری می کند. با افزایش خاصیت رطوبت پذیری سطح جامد، اثرات سطح بر قطره سیال افزایش می یابد و از سرعت حرکت قطره و خط تماس در مرحله جمع شدن قطره می کاهد. کلمات کلیدی : دینامیک استهلاکی ذره، تئوری فلوری- هاگینز، میکرو قطره، قطره حاوی پلیمر PEO ، برخورد قطره بر سطح جامد