Simulations of droplet impacts on hydrophobic moving walls

Abstract

Hidrofobik yüzeylere damla çarpışının nümerik simülasyonları Euler çok fazlı akış modeliyle gerçekleştirilmiştir. Damlacık yüzeyindeki deformasyonlar için VOF modeli kullanılmıştır. Temas açısının önemi ve viskoz akış modellemeri ayrı ayrı Statik temas açısı (SCA) / Dimamik temas açısı (DCA) yaklaşımları ve laminar/türbülanslı akış rejimlerinde incelenmiştir. Simülasyonlar 2 ve 3 boyutlu olmak üzere gerçekleştirilmiş olup kullanılan nümerik yöntemlerin doğruluğu simülasyon sonuçları R. Rioboo, M. Marengo &C. Tropea, Experiments in Fluids, 33, 112(2002) tarafından yapılan statik duvarlara çarpan damlacık deneyi sonuçlarıyla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Statik duvara çarpma sırasında sıvı içerisinde gerçekleşen iç akış özellikle kısmı geri tepme durumları için analiz edilmiştir. Analiz sonucunda, damlacık içerisindeki temas açısında yakın akış yapıları bütün halinde geri tepmeyi engellemektedir. Hareketli duvar durumu içinse; kısmi geri tepme, dağılma, parçalanma gibi oluşumlar R. H. Chen, H.W.Wang, Experiments in Fluids, 39, 754(2005) çalışmasında deneysel olarak gözlenmiştir. Beklenildiği üzere, yüksek yatay We sayılarında duvarın yatay hareketliliği damlacığın hareket doğrultusunda dağılmasına ve parçalanmasına sebebiyet vermektedir. Dağılma durumunda hava kabarcığı varlığının dağılma, sürüklenme ve ayrılma etkilerinden bahsedilmiştir. Her bir durum için zamana bağlı enerji dağılımlarının grafik olarak çıkartılması hem durgun hemde hareketli duvarlarda çarpma dinamiği hakkında görüş sağlamıştır. İlginç biçimde, viskoz dağılma çarpmanın hemen öncesinde çok azda olsa artmaya başlamaktadır ve çarpma anında kinematik safhaya geçince ani bir artış görülmektedir. Genel olarak, kinetik enerji öncelikle dağılma ve yüzey genişlemesinden dolayı azalmakta, sonrasında ise yüzey hareketliliği ve damlacık geri çekilmesinden dolayı artmaktadır. Yatay We sayısı beklenmeyen bir şekilde artmış, viskoz dağılma daha yüksek değerlere çıkmış ve boyutsuz zaman biriminde minimum kinetik enerji dağılımını daha yüksek değerlerle daha erken safhalara taşımıştır. En çok damlacık dağılmasının yaşandığı boyutsuz zamanda damlacığın yatay We sayısından çok az etkilendiği bulunmuştur.

Numerical simulations of water drop impact onto hydrophobic surfaces (Wax, Teflon) are carried out through usage of Eulerian multiphase model. Volume of fluid (VOF) model is used to capture the deformation of the water drop interface. Importance of contact angle and viscous flow modeling are shown by taking static contact angle (SCA)/dynamic contact angle (DCA) approaches and laminar/turbulent flow regimes respectively. Two and three dimensional simulations are conducted. Validation of the numerical scheme is done successfully by comparing the results of the simulation of impact to static walls with those from the experiments of R. Rioboo, M. Marengo & C. Tropea, Experiments in Fluids, 33, 112(2002). Internal flow of the liquid during the process of impact to static wall is analyzed, particularly for the case of partial rebound. It is observed that the flow structures in the droplet next to the contact line can prevent total rebound. For the moving wall case, partial rebound, deposition and split deposition phenomena are observed as was documented by the experimental study of R. H. Chen, H. W. Wang, Experiments in Fluids, 39, 754(2005). As expected, at high tangential We numbers, the tangential motion of the wall stretches the droplet in the motion direction and causes splitting. In split deposition case, the role of bubble entrainment in rupturing and splitting was mentioned. Energy profiles in time are plotted for each case to provide insight on the dynamics of impact both for moving or stationary walls. Interestingly, viscous dissipation starts to increase slightly before impact and it shows a sudden increase upon impact in the kinematic phase. In general, the kinetic energy drops first due to dissipation and surface enlargement and, in later stages, it increase as a result of surface motion and droplet retraction. Counter intuitively, as the tangential We is increase, the viscous dissipation attains higher value and shifts the minimum of kinetic energy profile to an earlier dimensionless time but with a higher value. It is found that the dimensionless time where maximum spread of the droplet happens is less influenced by tangential We number.