دانش رسان |
مرکز علم و دانش کشور مقاله مطالعه تجربی و تحلیلی دینامیک تبخیر سطحی قطرات آب بر روی سطوح مختلف
در حال بارگذاری
توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد
مقاله مطالعه تجربی و تحلیلی دینامیک تبخیر سطحی قطرات آب بر روی سطوح مختلف دارای ۲۴ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است
فایل ورد مقاله مطالعه تجربی و تحلیلی دینامیک تبخیر سطحی قطرات آب بر روی سطوح مختلف کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.
توجه : در صورت مشاهده بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله مطالعه تجربی و تحلیلی دینامیک تبخیر سطحی قطرات آب بر روی سطوح مختلف،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد
بخشی از متن مقاله مطالعه تجربی و تحلیلی دینامیک تبخیر سطحی قطرات آب بر روی سطوح مختلف :
مقدمه
فرآیند تبخیر قطره مایع دارای کاربردهـای بسـیاری در
صنعت است که از جملـه مـیتـوان بـه کـاربرد آن در
مهندسـی پزشـکی نظیـر در یـک ردیـف قـرار دادن و کشیدن مولکولهای [۱,۲] DNA، و همچنین کاربرد آن
در سیستمهای سرمایش و تبادل حرارت اشاره کرد .[۳]
برای مثال فرآینـدهای تغییـر فـاز (تبخیـر و چگـالش)
از موضــوعات اساســی لولــههــای میکروحرارتــی
[۴] (Micro-heat pipes) و سرمایش اسپری تجهیزات
الکترونیکی محسوب میشوند. فرآیند تبخیر بر رسوب ذرات کلوئیدی معلق در قطره در حال تبخیر نیز حـاکم
است کـه در مـواردی نظیـر پوشـشدهـی (Coating)،
چاپ و رنگ دیده مـیشـود .[۵-۷] امـروزه، مهندسـی بافـت (Tissue engineering)، بـه کمـک پرینتـرهـای جوهر افشان (Inkjet) (بیوپرینت) و هـمچنـین فرآینـد خشک شدن جوهر در تولید مواد با کیفیت چاپ بالا از موضــوعات اساســی در تحقیقــات بــه شــمار مــیرود
.[۷-۱۰] از نقطه نظر علمی، مسأله تبخیر قطره به علت تکینگــی (Singularity) شــار تبخیــر کــه ناشــی از ناسازگاری شرایط مرزی در سه سطح مشترک اسـت و همچنین نامحدود شدن تنش لزجت در ناحیه سهفاز که ناشی از شرط مرزی عدم لغزش در سطح جامد اسـت، از اهمیت قابل توجهای برخوردار است. تماس قطره بر روی سطح در حالت تعـادل بـا زاویـه تمـاس تعـادلی
(e) (Equilibrium contact angle) مشخص میشـود.
زاویــه تمــاس بــه وجــود آمــده را در حــین پخــش شـدن قطـره بـر روی سـطح (و حرکـت خـط تمـاس
بــه ســمت فــاز بخــار)، زاویــه تمــاس پیشــروی
(a) (Advancing contact angle)، و در حـین جمـع
شدن قطره (و حرکت خط تماس به سمت فـاز مـایع)، زاویــه تمــاس پســروی (Receding contact angle)
(r)، مــینامنــد. بــه اخــتلاف مقــادیر زاویــه تمــاس پیشــرو و پســرو (a-r)، پســماند زاویــه تمــاس
(Contact angle hysteresis (CAH)) میگویند که بـه
علت زبری و غیر یکنواختی سطح به وجـود مـیآیـد.
برای یک سطح واقعی سه زاویه فوق الذکر با هم برابـر نیستند و رابطه r < e < a همواره برقرار است.
تحقیقات نشان میدهد که در حضور پسماند زاویه
تماس، مطابق شکل (۱)، سه مرحله را مـیتـوان بـرای فرآیند تبخیر قطره در نظر گرفت: اول مرحلهای کـه در
آن قطره در سطح تماس ثابت از زاویه تمـاس تعـادلی e تـا زاویـه تمـاس پسـرو r، کـاهش زاویـه تمـاس میدهد (مرحله سـطح تمـاس ثابـت کـه در آن شـعاع
تماس ثابت میماند). دوم مرحلهای که در آن قطـره بـا
زاویه تماس پسروی r ثابت، کاهش شـعاع تمـاس R
میدهد (مرحله زاویه تماس ثابت) و مرحله سـوم کـه با کاهش توأمان شعاع تماس R و زاویه تماس همراه
است (مرحله ترکیب)
شکل ۱ مراحل مختلف تبخیر سطحی قطره به صورت شماتیک
تحقیقات زیـادی در زمینـه تبخیـر قطـره بـر روی
سـطح جامـد موجـود اسـت. هـو و لارسـون [۱۳] بـه صورت تجربی و تئوری نشان دادنـد کـه نـرخ تبخیـر
خالص قطره نسبت به زمان برای زوایای تمـاس اولیـه
کوچک (<400) تقریباً ثابت میماند؛ حتـی هنگـامی که شار تبخیر در لبه قطره، تکینگی قویتری را تجربـه
میکند. مجدداً هو و لارسـون [۱۴] در تحقیقـی دیگـر نشان دادند که تشکیل رسوب حلقـه ماننـد کـه در لبـه قطرات آب در حال خشک شدن مشاهده مـیشـود نـه
۸۲
(e با
امیر کریمدوست یاسوری- محمد پسندیده فرد
تنها ناشی از چسبیدن خط تماس به سطح اسـت بلکـه
ناشـی از جریـان مـارانگونی (Marangoni flow) نیـز میباشد. الپرین و همکاران [۱۵] با اسـتفاده از بـالانس
ماده در سطح قطره، معادلاتی بـرای سـرعت اسـتفان و
نرخ تغییر شعاع تمـاس بـا احتسـاب اثـر جـذب گـاز محلول در سطح مشترک گاز / مایع به دسـت آوردنـد.
آنها همچنین شرایط مرزی را در سطح مشـترک گـاز /
مایع با احتساب اثـر جـذب سـطحی گـاز غیـرهمدمـا استخراج کردند. شهیدزاده و همکاران [۱۶] نشان دادند
که اگر تبخیر صرفاً ناشـی از نفـوذ (Diffusion) باشـد
رابطه R(t)2~(te-t) برقرار است کـه در آن R(t) شـعاع تماس در هر لحظه، te زمان کل تبخیر و t زمان اسـت.
کیم و همکاران [۱۷] فرآیند تبخیر قطره بر روی سطوح
پلیمری را با استفاده از تکنیک تحلیل تصـویر دیجیتـال
(Digital image processing) مورد بررسی قرار دادند.
آنها نشان دادند که در فرآینـد تبخیـر آب، سـه مرحلـه
مجزا وجود دارد: مرحله سـطح تمـاس ثابـت، مرحلـه زاویه تماس ثابت و مرحله ترکیب که مستقل از مقـدار
اولیه قطره آب و خواص خیسشـدگی سـطوح پلیمـر
است. لـی و همکـاران[۱۸] آزمـایشهـایی را بـر روی پخــش و تبخیــر قطــرات مــایع نظیــر هپتــان و اکتــان (Heptane & octane) بر روی سطوح جامـد مختلـف
انجام دادند. آنها یک مدل تئوری توسعه دادند که یـک
رابطه کلی را برای تغییرات زمانی زاویه تمـاس، شـعاع تماس و سرعتهای پخش/ تبخیـر مـیداد. شـانفیلد و همکاران [۱۹] تبخیر قطرات آب با شعاع تمـاس ثابـت را مورد بررسی قرار دادند. آنها دو تقریب برای زوایای
تماس کمتر از ۹۰ درجـه ارایـه کردنـد کـه پـیشبینـی
دینامیک تبخیر را میسر سـاخت. دان و همکـاران [۲۰]
یک مدل ریاضی برای تبخیر شبه تعادلی قطـرات مـایع
نازک با تقارن محوری و خط تماس ثابت ارایه کردنـد.
کالینیچ و فرزانه [۲۱] نشان دادند کـه قطـرات کوچـک آب، مراحل تبخیر متفاوتی را بر روی سـطوح پلیمـری
شدیداً آبگریز ۱۵۰۰) (Super-hydrophobic)
سال بیست و سوم، شماره دو، ۱۳۹۱
پسماند زاویه تماس متفاوت از خود نشـان مـیدهنـد.
بدین ترتیب که تبخیر قطره بر روی سطوح بـا پسـماند
زیاد و کم به ترتیب، مرحله سطح تماس ثابت و زاویـه تماس ثابت را دنبال مـیکنـد. شـین و همکـاران [۲۲]
مشخصــههــای تبخیــر قطــرات آب بــر روی ســطوح آبگریــز (e>900) (Hydrophobic) و آبدوســت
(e<900) (Hydrophilic) را به طـور تجربـی مـورد
بررسی قرار دادند. آنها نتیجه گرفتند که بـرای سـطوح شدیداً آب گریز، هیچیک از سه مرحله مجزای تبخیـر و
مرحلــه ســطح تمــاس ثابــت مشــاهد نمــیشــود و
مشخصههای سطح، شدیداً نرخ تبخیـر را تحـت تـأثیر قرار میدهند.
معادله حاکم برای تبخیر قطره بـر روی سـطح بـه
علت دارا بـودن دو متغیـر زاویـه تمـاس () و شـعاع تماس (R) کـه خـود تـابعی از زمـان هسـتند بـهطـور
مستقیم و بسته، غیرقابل حل است. در این تحقیـق، بـا
انجام آزمایش بر روی سطوح مختلف مشاهده میشود که فرآیند تبخیر قطرات آب بر روی سطوح با پسـماند
بـالا در بیشـتر زمـان تبخیـر، در سـطح تمـاس ثابـت،
صورت میگیرد (یعنی مطـابق شـکل (۱) مـدت زمـان مرحله اول برای ایـن سـطوح بسـیار بیشـتر از مراحـل
دیگر است). این در حالی است که قطرات آب بر روی
سطوح با پسماند پایین در بیشتر زمان تبخیر، در زاویـه تماس ثابت، کاهش حجم میدهند (یعنی مطابق شـکل
(۱) مدت زمان مرحلـه دوم بـرای ایـن سـطوح بسـیار بیشتر از مراحـل دیگـر اسـت)؛ کـه بـا نتـایج تجربـی محققــان دیگــر هــم مطابقــت دارد .[۱۷,۲۱,۲۳-۲۷]
بنابراین در ادامه فرض میشود که تبخیـر قطـرات آب
بر روی سطوح با پسماند بالا و پایین، صرف نظر از دو مرحله دیگر تبخیر، در یک مرحله به ترتیـب در سـطح
تماس ثابت و زاویه تماس ثابت صورت مـیگیـرد. بـا
این ایده، معادله حاکم بر تبخیر قطـره بـرای هریـک از این دو سطح، بهطور جداگانـه و بـه صـورت تحلیلـی، حل میشود. نتـایج تحلیلـی سـپس بـا نتـایج تجربـی
۸۳
نشریه علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک مطالعه تجربی و تحلیلی دینامیک تبخیر سطحی قطرات ;
مختلف مقایسه شده و مـدل ارایـه شـده اعتبارسـنجی
میشود.
بررسی تجربی پدیده تبخیر سطحی یک قطره
کارهای تجربی و مراحل آزمایشگاهی این پـژوهش در آزمایشگاه دانشگاه فردوسی مشهد انجـام شـده اسـت.
نحوه چیدمان وسایل آزمایش در شکل (۲) نشـان داده شده است. مشخصات لـوازم و تجهیـزات آزمـایش در جدول (۱) و شرایط آزمایشهای انجام شده در جدول
(۲) آورده شدهاند.
برای انجام آزمایش، ابتدا سطوح جامد مـورد نظـر
کاملاً شسته شد تا آلودگی از سطح آنها پـاک شـود. بـا
استفاده از سرنگ مقـداری از قطـره آب را روی سـطح
گذاشته شده و تصاویر قطرات در حال تبخیـر بـا یـک
دوربین (Charged-coupled device camera) CCD با یک تصویر در ۳۰ ثانیه ضبط مـیشـوند. از یـک منبـع
نوری که بر روی تکیهگاه افقی قـرار دارد بـرای دقـت
بالاتر اندازهگیریها استفاده میشود.
دوربین به یک رایانه متصل است کـه عکـسهـای گرفته شده در آن ذخیره میشود. در نهایت بـا اسـتفاده از نـرم افـزار تحلیــل تصـویر [۲۸] “ImageJ”، شــعاع تماس قطره و زاویه تماس آن نسبت بـه زمـان مطـابق شکل (۳) به دست میآید.
شکل ۲ شماتیکی از تجهیزات آزمایش در تحقیق حاضر
جدول ۱ مشخصات لوازم و تجهیزات آزمایش
نام وسیله ملاحظات
دوربین سرعت بالا Camera Model: GRAS-03K2M/C, 1/3″ KAI 0340D CCD, 648×۴۸۸, ۲۰۰ fps
لنز دوربین Lens Model: TEC-M55
سرنگ آزمایش میکرولیتر
سطح جامد مورد آزمایش پلکسی گلاس (Plexiglas) ، تفلون، آلومینیوم
مایع مورد آزمایش آب
دماسنج جیوهای
۸۴
امیر کریمدوست یاسوری- محمد پسندیده فرد سال بیست و سوم، شماره دو، ۱۳۹۱
جدول ۲ شرایط انجام آزمایش
سطح حجم قطره رطوبت نسبی دما
(mm3) (%) (°C)
پلکسی گلاس ۰/۲۷۷ ۷۵ ۱۰
تفلون ۰/۱۸۰ ۴۷ ۲۷
آلومینیوم ۰/۳۲۰ ۶۳ ۲۰
مقـــادیر غلظـــت بخـــار در ســـطح قطــــره
cs 208 102 kg / m3 و ضـــریب نفـــوذ معـــادل D 246106 m2 / s فرض میشـود .[۲۴] نحـوه بـه دست آوردن زاویه تماس و شعاع تماس قطره بـه ایـن
ترتیب است که با استفاده از نرم افزار پردازش تصـویر
در رایانه با یـک سـری عملیـات از جملـه کانتراسـت
(Contrast)، ترشــهولد (Threshold) و بــزرگ کــردن تصویر میتوان زاویه و شعاع تماس را اندازهگیری کرد
(شکل ۴ را ببینید).
در ادامه این قسمت، نتایج تجربی تحقیـق حاضـر ارایه میگردد. شـکل (۵) تصـاویر قطـره آب بـر روی سطوح پلکسی گلاس، تفلـون و آلومینیـوم را از لحظـه تماس قطره بر روی سطح تـا لحظـه ناپدیـد شـدن آن نشان میدهد. لازم به ذکر اسـت کـه نتـایج زیـر قابـل تکرار بوده و با تکـرار آزمـایش، تغییـر قابـل تـوجهی
مشاهده نمیشود.
شکل ۳ نمایشی از شعاع و زاویه تماس قطره
شکل ۴ نمونهای از الف) تصویر واقعی قطره بر روی سطح پلکسی گلاس ب) تصویر آن بعد از انتقال به نرم افزار پردازش تصویر
اشتراک‌گذاری:
- در صورتی که به هر دلیلی موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید با ما تماس بگیرید.
