شبیه سازی عددی تغییر شکل و حرکت قطره روی سطح

در این پایان نامه هدف شبیه سازی عددی حرکت و تغییر شکل قطره بر روی سطح و بررسی مدل های کشش می باشد. مطالعه در مورد قطرات در علوم و مهندسی دارای کاربرد و اهمیت زیادی است. یکی از این مسایل وجود قطرات بر روی سطح کاتدی در پیل های سوختی دارای غشاء مبادله کننده ی پروتون می باشد. در این پیل های سوختی مدیریت آب اهمیت ویژه ای دارد و وجود قطرات آب باعث کاهش عملکرد پیل سوختی می شود. بنابراین با استفاده از یک فن کوچک الکتریکی قطرات آب ایجاد شده بر روی سطح را جاروب می کنند. به منظور شبیه سازی جریان قطره به روش عددی از یک کد کامپیوتری که جریان سطح مشترک را به صورت سه بعدی حل می کند استفاده شده است. معادلات ناویر استوکس به روش حجم محدود با استفاده از روش گام جزیی به صورت صریح و با کمک روش چند شبکه ای در یک شبکه ی جابجا شده ی کارتزین حل می شود و سطح مشترک سیال با استفاده از روش plic-vof مدل می شود. نتایج به دست آمده در این پایان نامه در چهار بخش عمده تقسیم می شود. ابتدا چهار روش عددی برای مدل کردن کشش سطحی بر روی کد کامپیوتری موجود اعمال شده و یک قطره ی ساکن به منظور بررسی توزیع فشار و جریان های پارازیتی، شبیه سازی شده است. جریان های پارازیتی به علت اعمال نیروی کشش سطحی در مسایل سطح مشترک شبیه سازی شده با روش های اویلری ایجاد می شوند. نتایج به دست آمده با مطالعات پیشین مقایسه شده سپس با مقایسه ی توزیع فشار داخل و خارج قطره و مقایسه ی جریان های پارازیتی در این چهار روش ، دقیق ترین روش برای مدل کردن کشش سطحی، یعنی روش sgip برای مطالعات آتی برمی گزیده شده است. سپس با هموار کردن شکل قطره در شرایط اولیه باعث کاهش جریان های پارازیتی شده و نتایج حاصل بهبود یافته است. در قدم بعدی جریان های پارازیتی ناشی از اعمال نیروی کشش سطحی مطالعه گردیده و اثر پارامترهای مختلف چون اندازه ی شبکه، اندازه ی قطره، لزجت و چگالی بر این جریان ها برای یک قطره ی ساکن بررسی شده است. سپس حرکت قطره روی سطح شیب دار پس از برخورد قطره با سطح بررسی شده است. بدین منظور، ابتدا مدل زاویه تماس دینامیکی برای یک مورد که نتایج تجربی و عددی آن موجود است، اعمال شده و نتایج به دست آمده را با نتایج موجود مقایسه کرده ایم. پس از اطمینان از صحت نتایج به دست آمده، اثر سرعت برخورد قطره با سطح شیب دار و زاویه ی سطح شیب دار بررسی شده است. سپس حرکت قطره روی سطح در اثر جریان سیال شبیه سازی شده است. در این راستا ابتدا به مطالعه ی شبکه پرداخته سپس اثر پارامترهای مختلف، از جمله اندازه ی قطره، زاویه تماس، نسبت چگالی ها، لزجت و سرعت سیال، بر تغییر شکل و حرکت قطره با مقایسه ی شکل قطره و بررسی سرعت مرکز جرم قطرات در طول زمان برای سیزده مورد شبیه سازی شده، بررسی شده است. در نهایت شبیه سازی جریان برای محدوده ای از اعداد بی بعد صورت گرفته و به رابطه ای برای سرعت حرکت قطره بر حسب عدد وبر در محدوده ی مورد مطالعه به دست آمده است.