Simulation of self-propelled droplet jumping on superhydrophobic surfaces

  • Simulation von Tropfenkoaleszenz auf superhydrophoben Oberflächen

Figueiredo Coronado, Patric Nelson; Kneer, Reinhold (Thesis advisor); Scheid, Benoit (Thesis advisor)

Aachen (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Nanostrukturierte Beschichtungen bieten das Potenzial, Substrate mit spezifischen Benetzungseigenschaften zu erzeugen. Auf diesen Oberflächen mit geringer Adhäsion können koaleszierende Tropfen spontan abspringen, was als self-propelled droplet jumping in der Literatur bekannt ist. Die Fluiddynamik von koaleszierenden Tröpfchen auf superhydrophoben Oberflächen wird durch ein subtiles Gleichgewicht von Oberflächenkräften, kinetischer Energie und viskoser Dissipation bestimmt. Dieses Phänomen wird auf einer Vielzahl von synthetischen und natürlichen superhydrophoben Oberflächen beobachtet und führt zu einer Reihe von Anwendungen. Das selbst angetriebene Abspringen kann unter anderem bei der Entwicklung von eisfreien Oberflächen, oder aber auch zur Verbesserung des Wärmeübergangs während der Kondensation genutzt werden. Unter Gefrierbedingungen wird die Bildung einer Eisschicht verhindert, wenn Tropfen vor der Erstarrung vom superhydrophoben Substrat abspringen. In Kondensatoren wird die Bildung einer isolierenden Kondensatschicht verhindert, was zur Verbesserung der Wärmeübertragung führt. Aus anwendungstechnischer Sicht ist es wichtig, Kondensationsraten, Ablösungsraten und Wärmeübertragung auf superhydrophoben Oberflächen auf der makroskopischen Skala durch ein geeignetes Wandmodell vorherzusagen. In dieser Dissertation wird die zugrundeliegende Fluiddynamik auf der mikroskopischen Skala untersucht. Parametrische Studien zeigen den Einfluss von Tropfengröße, Viskosität, Schwerkraft und Kontaktwinkel auf die Absprunggeschwindigkeit, wobei Absprungregime auf der Basis von Ohnesorge-Zahl, Kontaktwinkel, Bond-Zahl und Tropfengrößenverhältnis definiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das selbst angetriebene Abspringen von Tropfen ein sehr ineffizienter Prozess ist, da nur ein kleiner Teil der freigesetzten Oberflächenenergie zu nützlicher translatorischer kinetischer Energie führt. Außerdem wird das Springen der Tropfen mit steigender Ohnesorge- und Bond-Zahl erschwert.

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