اصلاح روش اعمال نیروهای سطحی در مدل سازی جریان سیال با سطح آزاد و شبیه سازی پدیده الکترووتینگ

در این تحقیق روش نیروی سطحیِ پیوسته (csf) برای اِعمال نیروهای سطحی در برنامه های حل عددی جریان با سطح آزاد که از روش نسبت حجمی سیال (vof) برای بازسازی سطح آزاد استفاده می کنند به همراه طرح اصلاحیِ pcil که برای افزایش دقت گسسته سازی نیروهای سطحی در روش csf ارائه شده است به برنامه حل عددی موجود اضافه می شود. در ادامه پدیده ی الکترووتینگ که یکی از پدیده های مطرح در حوزه ی دینامیک سیالات الکتریکی می باشد و کاربرد آن در بخش های مختلف فناوری با سرعت رو به گسترش است به کمک برنامه ی توسعه داده شده شبیه سازی می شود. برای بررسی اثر تغییر روش اِعمال نیروهای سطحی، یک قطره ی ساکن در غیاب نیروی گرانش و نیروهای حجمی دیگر شبیه سازی می شود. در شرایط واقعی هیچ جریانی نباید در داخل یا خارج قطره یا روی سطح آزاد چنین قطره ای وجود داشته باشد. اما به دلیل عدم خنثی شدن نیروی کشش سطحی با نیروی حاصل از جهش فشار بر روی سطح آزاد، جریان هایی در اطراف سطح آزاد قطره به وجود می آید که جریان های تداخلی نامیده می شوند. همچنین عدم وجود دقت کافی در گسسته سازی نیروهای سطحی باعث می شود میزان اختلاف فشار بین داخل و خارج قطره که در نتیجه ی وجود نیروی کشش سطحی به وجود می آید با مقدار واقعی اختلاف قابل ملاحظه ای داشته باشد. مقایسه ها نشان می دهد که روش جدید نسبت به روش آلوینوف که تا قبل از انجام این پایان نامه مورد استفاده بوده، مقدار حداکثر سرعت تداخلی را به حدود یک سوم و مقدار متوسط این سرعت ها را به بیش از نصف کاهش داده است. همچنین میزانِ قدر مطلق اختلافِ جهش فشار محاسبه شده بر روی سطح آزاد با مقدار تحلیلی از حدود دوازده به شش درصد کاهش یافته است. همچنین بررسی ها نشان می دهد که ریزتر کردن شبکه ی مورد استفاده و یا کوچکتر کردن ابعاد قطره، شدت جریان های تداخلی را بیشتر می کند. از سوی دیگر افزایش چگالی سیال احاطه کننده ی قطره نسبت به چگالی قطره از شدت جریان های تداخلی می کاهد. در قسمت دوم این پژوهش، پدیده الکترووتینگ توسط برنامه عددیِ توسعه داده شده شبیه سازی می شود. نتایج حاصل از شبیه سازیِ پدیده ی الکترووتینگ ابتدا به صورت گذرا در طی زمان مورد بررسی قرار می گیرد و مراحل نوسان قطره تحت تاثیر میدان الکتریکی تا رسیدن به وضعیت تعادل جدید نشان داده می شود. سپس شکل تعادلی سطح آزاد قطره پس از ساکن شدن در شرایط تعادلی جدید با نتایج آزمایشگاهی و همچنین رابطه ی تحلیلی یانگ لیپمان مقایسه می شود که انطباق قابل قبول نتایج، نشان دهنده ی دقتِ قابل قبولِ مدل سازی نیروهای سطحی است. هم چنین دلیل انحراف شکل سطح آزاد از شکل پیش بینی شده توسط رابطه ی یانگ لیپمان در نزدیکی خط تماس به این صورت توضیح داده می شود که تمرکز نیروی الکترواستاتیک در نزدیکیِ این خط موجب افزایش شدید انحنای سطح می شود تا به این صورت نیروی کشش سطحی افزایش یابد و نیروی الکترواستاتیک را خنثی نماید.