بخشی از مقاله
چکیده
سطوح مافوقآبگریز به علت خاصیت دفع آب، پتانسیل قابلتوجهی براي کاربردهاي مختلف در فنّاوري روز هستند. اینگونه سطوح، بهوسیلهي پوشش آبگریز، زبري و حبس هوا بین مایع و جسم جامد، قابلتولید هستند. اثرهاي دینامیکی مثل بالا جستن قطره، میتواند مخلوط جامد-هوا-مایع را در قسمت اتصالی نواحی، برهم بزند. رابطهي بین سرعت برخوردي و خواص هندسی سطح، بر تغییر ترکیب ناحیهي تماس، جامد-هوا-مایع به جامد-مایع مؤثر است.
ازاینرو بررسی اثر دینامیک قطره، در سرعتهاي متفاوت، اهمیت مییابد. در اینجا به شبیهسازي رفتار یک قطرهي آب، پس از برخورد با یک سطح مافوق آبگریز مثل گرافیت، با زاویهي تماسهاي 110، 140 و 160 درجه پرداخته شده است؛ سپس با دادههاي 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.
١- مقدمه
با توجه به کاربردهاي فراوان سطوح آبگریز در صنایع مختلف از قبیل، شیشه جلو اتومبیل، نماي بیرونی ساختمانها، کشتیها، ظروف آشپزخانه، صفحات خورشیدي و کاهش درگ در میکرو کانالها، کاهش نیروي درگ در مباحث نظامی، کاهش خوردگی در صنایع نفت و آب و همچنین کاهش اتلاف انرژي، ضرورتی براي شناخت هر چه بیشتر این سطوح میباشد.
از این رو محققین بسیاري در سالهاي اخیر بر روي این مبحث مطالعه نموده اند. به طور نمونه، در سال 1999 واتانابه1 و همکارانش [1] کاهش درگ را براي سیال نیوتنی درون یک مجرا با دیوارههاي آبگریز را بررسی نمودند. آنها اندازهگیريهاي خود را براي بررسی افتهاي 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 اندازهگیري شد و براي محلولهاي 10 و 20 درصد این مقدار افزایش یافت.
واتانابه و اوداگاوا[2] 1 در سال 2001 کاهش درگ را براي محلولهاي پلیمري درون لوله هم براي رژیم جریان آرام و هم جریان آشفته بررسی کردند. آزمایشات براي اندازهگیري افتهاي فشار درون لوله که دیوارههاي آن پوشش دهی شده بودند انجام گرفتند. ماده اصلی براي پوشش دیوارهها، زرین آکریلیک که توسط فلورین-آلکان تغییر یافته شده بود به سیلیکاي آبگریز اضافه شد. قطر لوله 6 میلیمتر و محلول پلیمري آزمایش شده PEO15 با محدوده غلظت 30 تا 1000 پی پی ام بوده
است. نسبت کاهش درگ براي جریان آرام حدود 11 تا 15 درصد محاسبه شده است.
ترتوي2 و مینهارت[3] 3 در سال 2001 براي اندازهگیري پروفیل سرعت در یک کانال 300×30 میکرومتري با طول 8/25 سانتیمتر را انجام دادند و براي اطمینان از جریان توسعه یافته و حذف اثرات ورودي، اندازهگیريها 4 تا 4/5 سانتیمتر بعد از ورودي صورت گرفته است. براي سطح هیدورفیبیک - مربعی - پروفیلهاي 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 براي سطح هیدروفیلیک - مثلثی - پروفیلهاي سرعت متفاوت است. در فاصله 25 میکرومتري از دیوار نزدیک سرعت جریان آزاد است و به سمت دیوار کاهش مییابد بطوریکه در فاصله 450 میلیمتري بالاي دیوار سرعت مشخص و محدودي 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 میکرومتري 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 میکرومتري نیز اثرگذار باشد. همچنین آنان دریافتند که با استفاده از سطوح هیدروفوبیک در میکروکانالها تا حد زیادي میتوان بر درگ اصطکاکی غلبه کرد.
چوي4 و همکارانش [4] در سال 2003 لغزش سیال در میکروکانالهایی با دیوارههاي آبگریز و آبدوست و با ارتفاع 1 و 2 میکرومتر را بهطور تجربی بررسی کردهاند. دبیهاي آب خالص در فشارهاي کاربردي متفاوت براي شرایط هر سطح با استفاده از یک سیستم جریان سنجی با دقت بسیار بالا اندازهگیري شدند و نتایج با مدل تحلیلی براي که براي لغزش روي دیواره جامد ارائه کردند، مقایسه شدند. آنها دریافتند که طول اغزش با نرخ برش بهطور خطی تغییر میکند. همچنین، دریافتند که بااستفاده از سطوح هیدروفوبیک یا آبگریز درگ اصطکاکی کاهش مییابد در صورتیکه براي یک سطح هیدروفیلیک یا آبدوست کاهش درگی مشاهده نشد.
در سال 2004 پروت5 و او[5] 6 کاهش جریان آرام در میکروکانالها را با استفاده از سطوح آلتراهیدروفوبیک بررسی کردند. در این آزمایش سطوح آلتراهیدروفوبیک از ورقه هاي سیلیکون با استفاده از فوتوگرافی تولید شده اند. آنها افت فشار را بعنوان تابعی از نرخ جریان براي دسته اي از هندسه هاي میکروکانال و طراحیهاي سطوح آلترافوبیک اندازهگیري کردهاند.
آنها کاهش در افت فشار تا 40 درصد و طول لغزش بزرگتر از 20 میکرومتر را با استفاده از این سطوح بدست آوردند. هنوچ1 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 هواي بدام افتاده در فصل مشترك مایع- جامد باعث لغزش میشود.
آنها دریافتند که این لغزش باعث کاهش در درگ اصطکاکی در اعداد رینولدز بالا در جریانهاي خارجی هم در رژیم جریان آرام و هم آشفته میشوند. آنها کاهش درگ تا 50 درصد را براي جریان آرام مشاهده کردند و سطح پایینتري از کاهش درگ را براي سرعتهاي بالاتر و بعد از اینکه جریان از گذار به آشفته انتقال یافت، مشاهده کردند.
در سال 2007، جانگ2 و بوشان[7] 3 تحول خیسی پذیري قطرهي آب، بر یک سطح مافوق آبگریز را مورد بررسی قرار دادند. آنها با این پیشفرض که اندازهي قطرهي آب و پارامترهاي هندسی سطح، کنترلکنندهي تبدیل سطح مشترك مرکب جامد-هوا-مایع به سطح مشترك همگن جامد-مایع میباشد، به مطالعهي تأثیر تغییر اندازهي قطره، بر خواص خیسیپذیري سطح الگودار سیلیسیم، پرداختند.
ایشان معیاري براي 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. روندهاي ارائهشده، توسط آنها بر مبناي دادههاي آزمایشگاهی و برحسب معیار گذار4 بیان شدهاند. در سال 2011، لانگکوانچن5 و همکارانش [8] به مطالعهي برخورد دینامیک قطره، روي سطوح با ابعاد دوگانه6 پرداختند؛ و دینامیک برخورد قطرات آب با سطوح مصنوعی مافوق آبگریز 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 ارتجاع7 قطره را بررسی کرده؛ و نتایج بصري8، به انضمام نتایج تجربی را به شرح زیر ارائه دادند: حد پایین سرعت بحرانی، 0/08 متر بر ثانیه است؛ که با پیشبینیهاي تئوري، تطابق دارد. در هردو نوع سطوح، به علت به دام افتادن حباب هوا و فواره زدن9 آب در سرعتهاي پایین، افت شدیدي در ضریب ارتجاع، رخ میدهد. براي سرعتهاي متوسط در نانوگرسها10، شاهد افزایش زمان تماس، به علت اتصال موضعی و بازگشت بهجاي اول11 خواهیم بود؛ اما در برگهاي کنار، بازگشت بهجاي اول، به علت بینظمی برآمدگیهاي کوچک، با لرزش شدید همراه خواهد بود. همچنین، در سرعتهاي بالا، به علت بالا بودن انرژي سینتیک، قطرهها تکهتکه میشوند.
