محققان دانشگاه علم و صنعت ایران به بررسی پدیده کاهش نیروی اصطکاک پوسته‌ای در مقابل حرکت اجسام در آب به وسیله پوشش‌دهی با مواد آب گریز، به دو شیوه تجربی و شبیه‌سازی کامپیوتری پرداختند.

به گزارش سرویس پژوهشی ایسنا، مهندس ستاره سخاوت، دانشجوی دوره دکتری دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران این بررسی را در قالب رساله دکتری خود با عنوان «کاهش نیروی درگ اصطکاکی روی دیوار در جریان سیال غیرقابل تراکم به کمک پوشش‌دهی» و به راهنمایی دکتر نوروز محمدنوری و مشاوره دکتر مصطفی حسینعلی‌پور ارائه کرده است.

در این رساله آمده است: نیاز به شناخت پدیده کاهش نیروی اصطکاک پوسته‌ای در مقابل حرکت اجسام در آب، به علت نبود نظریه قطعی در تشریح مناسب فیزیک حاکم بر آن از یک سو و ساده و قابل اجرا بودن آن در شرایط مختلف باعث شد تا تحقیق حاضر انجام شود. بدین منظور در این تحقیق سعی بر آن بوده تا تشریح مناسبی از پدیده کاهش نیروی اصطکاکی با استفاده از پوشش‌دهی، در مدلسازی‌ها و نتایج تجربی بدست آید و در مراحل انجام پروژه قابلیت مدل استفاده شده و استفاده بهینه از آن مورد توجه بوده است.

در بخش فعالیت‌های تجربی، طراحی، ساخت، راه‌اندازی و آزمایش تجهیزات برای تولید سطوح آب گریز و مشاهده تاثیر آن انجام شده است. در این بخش ابتدا مطالبی درخصوص روش‌های پوشش‌دهی و عوامل موثر بر آن بیان شده و سپس نحوه آماده‌سازی تجهیزات اولیه برای ایجاد پوشش‌های مناسب آورده شده است. ارائه نتایج حاصل از انجام آزمایشات تجربی و جمع‌بندی مشاهدات عملی که مبین کاهش اصطکاکی پوسته‌ای است و در نهایت بررسی امکان تعمیم نتایج برای شرایط دیگر پایان‌دهنده این بخش است.

دستگاه‌های طراحی و ساخته شده در بخش آزمایشگاهی شامل کوره حرارتی تشعشعی برای مقاوم‌سازی پوشش و همچنین محفظه‌های مورد نیاز برای پوشش‌دهی است. به علاوه ساخت و راه‌اندازی تجهیزاتی برای مشاهده تاثیر پوشش در جریان سیال به عنوان میکرو کانال از دیگر فعالیت‌های آزمایشگاهی به شمار می‌رود. در کنار این تجهیزات، طراحی و ساخت دستگاه اندازه‌گیری زاویه دینامیکی قطره، با روش‌هایی به جز عکسبرداری برای ارزیابی پوشش انجام شده، برای اولین بار صورت گرفته است.

در این تحقیق، با استفاده از تجهیزات فراهم شده سطوحی با قابلیت‌ تر ناپذیری بالا ایجاد شده است. در تولید این سطوح پارامترهای محیطی و آماده‌سازی‌های اولیه‌ای مورد نظر بوده است که در این بخش سعی شده تا اثر آنها بررسی و پایدارترین حالت برای پوشش ایجاد شده معرفی شود.

نتایج آزمایشات نشان می‌دهد که رطوبت مطلق مناسب و آماده‌سازی اولیه می‌تواند منجر به تولید پوشش‌های آب‌گریزی با دوام بسیار زیاد شود، به طوری که سطح پوشش داده شده زاویه تماسی در حدود 170 درجه و زاویه دینامیکی کمتر از 10 درجه را داراست. علاوه بر این پوشش ایجاد شده، در داخل آب در حدود 14 روز و در هوا بیش از شش ماه پایدار است.

در ادامه این بررسی، پوشش‌های تولید شده مذکور، برای بررسی کاهش درگ اصطکاکی در جریان داخلی مورد استفاده قرار گرفتند. این جریان شامل جریان درون یک میکرو کانال بود. اندازه‌گیری‌ها برای افت فشار در دو حالت حضور و عدم حضور پوشش در دبی جریانی یکسان در طول مشخص از میکرو کانال صورت گرفت و نتایج حاکی از دستیابی به کاهش افت فشاری در حدود 30 درصد در جریان داخلی بود.

از اهداف دیگر بخش تجربی تحقیق، پیش‌بینی میزان کاهش درگ اصطکاکی برای جریان‌های آشفته و جریان‌های خارجی است. برای دستیابی به این هدف از فرضیه‌ای استفاده شده است. بدین معناکه سطوحی که از یک فرایند ساخت پیروی کنند و نرخ برشی یکسان بر روی آنها برقرار باشد، طول لغزش یکسانی را خواهند داشت. بدین صورت با محاسبه طول لغزش در جریان داخلی میکروکانال امکان محاسبه سرعت لغزشی و در نهایت محاسبه میزان کاهش نیروی اصطکاکی در جریان آشفته داخلی و یا افزایش سرعت در جریان‌های خارجی فراهم می‌شود. لازم به ذکر است که برای محاسبه دقیق این مساله، انجام آزمایشات کامل‌تر و تجهیزات اندازه‌گیری دقیق‌تری نیاز است.

در بخش شبیه‌سازی کامپیوتری نظریه مورد تحقیق، این مساله بررسی شد که چگونه می‌توان اثر سطوح آب گریز را در پدیده کاهش درگ، توجیه و عوامل موثر بر آن را در مدلسازی وارد کرد. بنابراین در قسمت فعالیت‌های مربوط به مدل‌سازی، با بررسی مدل‌های موجود و روش‌های متداول، از مدلی به منظور امکان بررسی تاثیر پوشش آب گریز در جریان زمینه استفاده شده است. هرچند که مدل استفاده شده مشابه مدل‌های ارائه شده برای شبیه‌سازی پوشش آب گریز است، اما قابلیت آن در کنار روش‌های شبیه‌سازی غیر از حل عددی مستقیم از جمله مواردی است که به آن پرداخته شده است.

علاوه بر این امکان شبیه‌سازی شرایط مختلف پوشش‌دهی از جمله طول‌های لغزش مختلف و لغزش در راستاهای متفاوت با مدل مذکور بررسی شده و در این بخش بطور کامل مطالعه شده است. نتایج محاسباتی نشان می‌دهد که مدل استفاده شده بطور کامل می‌تواند تاثیر سطوح آب گریز را در تغییر شدت آشفتگی و میدان ورتیسیتی نشان دهد.

از موارد دیگری که در بخش عددی این تحقیق به آن پرداخته شده، استفاده از روش المان تماسی به عنوان یک تابع دیواره است. روش لایه تماسی این امکان را فراهم می‌کند تا بتوان با ارائه مدلی در مجاورت دیواره محاسبات را کاهش داد. این روش، ضمن حساسیت به گرادیان فشار در فواصل مختلف دیواره قابل اعمال بوده و این ویژگی وجه تمایز این روش نسبت به بسیاری از توابع دیواره است.

در این تحقیق، استفاده از مدل المان تماسی باعث کاهش حدود 70 درصد سلول‌های محاسباتی شده، در حالی که تخمین مناسبی از جریان در ناحیه بسیار نزدیک به دیواره به دست آمده است.

انتهای پیام