بخشی از مقاله
چکیده
سطوح مافوقآبگریز به علت خاصیت دفع آب، پتانسیل قابلتوجهی برای کاربردهای مختلف در فنّاوری روز هستند. اینگونه سطوح، بهوسیلهی پوشش آبگریز، زبری و حبس هوا بین مایع و جسم جامد، قابلتولید هستند. اثرهای دینامیکی مثل بالا جستن قطره، میتواند مخلوط جامد-هوا-مایع را در قسمت اتصالی نواحی، برهم بزند. رابطهی بین سرعت برخوردی و خواص هندسی سطح، بر تغییر ترکیب ناحیهی تماس، جامد-هوا-مایع به جامد -مایع مؤثر است .
ازاینرو بررسی اثر دینامیک قطره، در سرعتهای متفاوت، اهمیت مییابد. در اینجا به شبیهسازی رفتار یک قطرهی آب، پس از برخورد با یک سطح مافوق آبگریز مثل گرافیت، با زاویهی تماسهای 110، 140 و 160 درجه پرداخته شده است؛ سپس با دادههای آزمایشگاهی موجود در مقالات چاپ شده مقایسه و پس از اطمینان از روش حل به بررسی رفتار قطره هنگام حرکت در روغن پرداخته خواهد شد.
-1 مقدمه
با توجه به کاربردهای فراوان سطوح آبگریز در صنایع مختلف از قبیل، شیشه جلو اتومبیل، نمای بیرونی ساختمانها، کشتیها، ظروف آشپزخانه، صفحات خورشیدی و کاهش درگ در میکرو کانالها، کاهش نیروی درگ در مباحث نظامی، کاهش خوردگی در صنایع نفت و آب و همچنین کاهش اتلاف انرژی، ضرورتی برای شناخت هر چه بیشتر این سطوح میباشد. از این رو محققین بسیاری در سالهای اخیر بر روی این مبحث مطالعه نموده اند. به طور نمونه، در سال 1999 واتانابه1 و همکارانش [1] کاهش درگ را برای سیال نیوتنی درون یک مجرا با دیوارههای آبگریز را بررسی نمودند. آنها اندازهگیریهای خود را برای بررسی افتهای فشار درون مجراهایی با سطح مقطع مربعی و مستطیلی انجام دادند. در این آزمایش از آب معمولی و محلول آبی گلیسیرین با غلظت 10 درصد و 20 درصد به عنوان سیال مورد ازمایش استفاده کردند. بیشترین نسبت کاهش درگ آب معمولی حدود 22 درصد اندازهگیری شد و برای محلولهای 10 و 20 درصد این مقدار افزایش یافت.
واتانابه و اوداگاوا[2] 2 در سال 2001 کاهش درگ را برای محلولهای پلیمری درون لوله هم برای رژیم جریان آرام و هم جریان آشفته بررسی کردند. آزمایشات برای اندازهگیری افتهای فشار درون لوله که دیوارههای آن پوشش دهی شده بودند انجام گرفتند. ماده اصلی برای پوشش دیوارهها، زرین آکریلیک که توسط فلورین-آلکان تغییر یافته شده بود به سیلیکای آب گریز اضافه شد. قطر لوله 6 میلیمتر و محلول پلیمری آزمایش شده PEO15 با محدوده غلظت 30 تا 1000 پی پی ام بوده است. نسبت کاهش درگ برای جریان آرام حدود 11 تا 15 درصد محاسبه شده است.
ترتوی3 و مینهارت[3] 4 در سال 2001 برای اندازهگیری پروفیل سرعت در یک کانال 300×30 میکرومتری با طول 8/25 سانتیمتر را انجام دادند و برای اطمینان از جریان توسعه یافته و حذف اثرات ورودی، اندازهگیریها 4 تا 4/5 سانتیمتر بعد از ورودی صورت گرفته است. برای سطح هیدورفیبیک - مربعی - پروفیلهای سرعت به مقدار جریان آزاد در 25 میکرومتر دیواره نزدیک میشوند و در دیوار به سمت صفر میرود که با حل تحلیلی و شرط عدم لغزش هماهنگی دارد. اما برای سطح هیدروفیلیک - مثلثی - پروفیلهای سرعت متفاوت است.
در فاصله 25 میکرومتری از دیوار نزدیک سرعت جریان آزاد است و به سمت دیوار کاهش مییابد بطوریکه در فاصله 450 میلیمتری بالای دیوار سرعت مشخص و محدودی وجود دارد. این سرعت لغزش حدود 10 درصد سرعت جریان آزاد است و بهطور موثریباعث شیفت پروفیل سرعت در مقایسه با پروفیل هیدروفوبیک شده است. بطوریکه سرعت در 25 میکرومتری از دیواره سطح هیدروفوبیک حدود 95 درصد سرعت جریان آزاد را دارد و در سطح هیدروفیلیک به مقدار 90 درصد میرسد. بنابراین ملایه نازکی از مادهی هیدروفوبیک میتواند تا فاصله 25 میکرومتری نیز اثرگذار باشد. همچنین آنان دریافتند که با استفاده از سطوح هیدروفوبیک در میکروکانالها تا حد زیادی میتوان بر درگ اصطکاکی غلبه کرد.
چوی5 و همکارانش [4] در سال 2003 لغزش سیال در میکروکانالهایی با دیوارههای آبگریز و آب دوست و با ارتفاع 1 و 2 میکرومتر را بهطور تجربی بررسی کردهاند. دبیهای آب خالص در فشارهای کاربردی متفاوت برای شرایط هر سطح با استفاده از یک سیستم جریان سنجی با دقت بسیار بالا اندازه گیری شدند و نتایج با مدل تحلیلی برای که برای لغزش روی دیواره جامد ارائه کردند، مقایسه شدند. آنها دریافتند که طول اغزش با نرخ برش بهطور خطی تغییر می کند. همچنین، دریافتند که بااستفاده از سطوح هیدروفوبیک یا آب گریز درگ اصطکاکی کاهش مییابد در صورتیکه برای یک سطح هیدروفیلیک یا آب دوست کاهش درگی مشاهده نشد.
در سال 2004 پروت6 و او[5] 7 کاهش جریان آرام در میکروکانالها را با استفاده از سطوح آلتراهیدروفوبیک بررسی کردند. در این آزمایش سطوح آلتراهیدروفوبیک از ورقه های سیلیکون با استفاده از فوتوگرافی تولید شده اند. آنها افت فشار را بعنوان تابعی از نرخ جریان برای دسته ای از هندسه های میکروکانال و طراحیهای سطوح آلترافوبیک اندازه گیری کردهاند. آنها کاهش در افت فشار تا 40 درصد و طول لغزش بزرگتر از 20 میکرومتر را با استفاده از این سطوح بدست آوردند.
هنوچ8 و همکارانش [6] در سال 2006 کاهش درگ توربولانسی با استفاده از سطوح آلتراهیدروفوبیک بررسی نمودند. سطوح سوپر هیدروفوبیک با کاهش در درگ ویسکوز بدلیل لغزش شناخته میشوند. در این سطوح یک لایه از هوای بدام افتاده در فصل مشترک مایع- جامد باعث لغزش میشود. آنها دریافتند که این لغزش باعث کاهش در درگ اصطکاکی در اعداد رینولدز بالا در جریانهای خارجی هم در رژیم جریان آرام و هم آشفته میشوند. آنها کاهش درگ تا 50 درصد را برای جریان آرام مشاهده کردند و سطح پایینتری از کاهش درگ را برای سرعتهای بالاتر و بعد از اینکه جریان از گذار به آشفته انتقال یافت، مشاهده کردند.
در سال 2007، جانگ9 و بوشان[7] 10 تحول خیسی پذیری قطرهی آب، بر یک سطح مافوق آبگریز را مورد بررسی قرار دادند. آنها با این پیشفرض که اندازهی قطرهی آب و پارامترهای هندسی سطح، کنترل کنندهی تبدیل سطح مشترک مرکب جامد-هوا-مایع به سطح مشترک همگن جامد-مایع میباشد، به مطالعهی تأثیر تغییر اندازهی قطره، بر خواص خیسیپذیری سطح الگودار سیلیسیم، پرداختند. ایشان معیاری برای گذر از حالت کسی به حالت ونزل ارائه داده و در آن ابراز داشتند، گذر از این حالت به حالت بعد، زمانی اتفاق میافتد که سستی قطره، بیشتر از عمق حفرهها است. روندهای ارائهشده، توسط آنها بر مبنای دادههای آزمایشگاهی و برحسب معیار گذار11 بیان شدهاند.
در سال 2011، لانگکوانچن12 و همکارانش [8] به مطالعهی برخورد دینامیک قطره، روی سطوح با ابعاد دوگانه13 پرداختند؛ و دینامیک برخورد قطرات آب با سطوح مصنوعی مافوق آب گریز دوگانه در سرعت 0/08 تا 3 متر بر ثانیه را بررسی و با دینامیک برخورد آن با برگ کنار، مقایسه کردند. آنها همچنین، زمان تماس و ضریب ارتجاع14 قطره را بررسی کرده؛ و نتایج بصری15، به انضمام نتایج تجربی را به شرح زیر ارائه دادند:
حد پایین سرعت بحرانی، 0/08 متر بر ثانیه است؛ که با پیشبینیهای تئوری، تطابق دارد. در هردو نوع سطوح، به علت به دام افتادن حباب هوا و فواره زدن16 آب در سرعتهای پایین، افت شدیدی در ضریب ارتجاع، رخ میدهد. برای سرعتهای متوسط در نانوگرسها17، شاهد افزایش زمان تماس، به علت اتصال موضعی و بازگشت بهجای اول18 خواهیم بود؛ اما در برگهای کنار، بازگشت بهجای اول، به علت بینظمی برآمدگیهای کوچک، با لرزش شدید همراه خواهد بود. همچنین، در سرعتهای بالا، به علت بالا بودن انرژی سینتیک، قطرهها تکهتکه می-شوند.
در سال 2014 پیتونی19 و همکارانش [9] به بررسی کشیده شدن قطرهی آب در تماس با سطح آب گریز و مافوق آب گریز گرافیت، نقش فشار دینامیک، فشار قوچ و مدت زمان نفوذ مایع پرداختند. آنها آزمایشهای تماس، در وبرهای پایین را بهوسیلهی عکسبرداری و نمایش، بهوسیلهی نمایههای نیمرخ سیاه رنگ قطرات آب، بر روی دو نوع سطح گرافیتی جی 140 و جی 160 انجام دادند.
