Φαινόμενα μεταφοράς κατά την εξάτμιση σταγόνας πάνω σε υπόστρωμα

Abstract

In this thesis the evaporation of droplets lying on substrates and the deposition process during the evaporation of colloidal liquid lines are investigated. The evaporation process has been mathematically modeled. The flow field inside a 2D droplet has been analytically calculated for the cases of potential and creeping flow. The effect of the evaporation controlling mechanism (phase change, vapor diffusion) and the behavior of the contact lines (pinned contact lines, have been considered. The deposition process of the suspended particles is simulated using the particle trajectory method, as well as, the convection-diffusion lattice Boltzmann method. The particles move due to the flow field and their Brownian motion. The effect of solid substrate on the particles diffusivity, as well as, the particles interactions with the free surface of the droplet have been, also, investigated. Simulation results are presented for different Peclet numbers for hydrophilic, as well as, for strongly hydrophobic substrates and useful conclusions have been arrived about the conditions that favor the formation of uniform deposits on the substrate after the droplet evaporation.

Στην παρούσα διατριβή μελετάται η εξάτμιση σταγονιδίων πάνω σε υπόστρωμα και η διεργασία απόθεσης των αιωρούμενων σωματιδίων κατά την εξάτμιση υγρών γραμμών που αποτελούνται από κολλοειδή αιωρήματα. Παρουσιάζεται η μοντελοποίηση της διεργασίας εξάτμισης μικροσταγονιδίων. Υπολογίζεται αναλυτικά το πεδίο ροής στο εσωτερικό διδιάστατων σταγονιδίων για τις περιπτώσεις δυναμικής και έρπουσας ροής. Εξετάζεται η επίδραση του μηχανισμού που ελέγχει την εξάτμιση (αλλαγή φάσης, διάχυση ατμών), καθώς και της συμπεριφοράς των γραμμών επαφής (σταθερές γραμμές επαφής, σταθερή γωνία επαφής). Η διεργασία απόθεσης των αιωρούμενων σωματιδίων προσομοιώνεται με τη μέθοδο υπολογισμού τροχιών σωματιδίων καθώς και με τη μέθοδο συναγωγής-διάχυσης δικτύου Boltzmann. Τα σωματίδια κινούνται υπό την επίδραση του πεδίου ροής και της θερμικής κίνησής τους. Μελετάται η επίδραση του υποστρώματος στη διάχυση των σωματιδίων και η αλληλεπίδρασή τους με την ελεύθερη επιφάνεια του σταγονιδίου. Παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων για διάφορους αριθμούς Peclet, τόσο για υδρόφιλα όσο και για ισχυρά υδρόφοβα υποστρώματα και εξάγονται συμπεράσματα για τις συνθήκες δημιουργίας ομοιόμορφων αποθέσεων.