مطالعه تجربي و تحليلي ديناميك تبخير سطحي قطرات آب بر روي سطوح مختلف

Experimental and Theoretical Study of the Dynamics of Surface Evaporation of Water Droplets on Different Surfaces

در اين تحقيق، ديناميك تبخير سطحي قطرات آب بر روي سطوح با پسماند زاويه تماس مختلف، به صورت تجربي و تحليلي مورد بررسي قرار مي گيرد. تبخير سطحي قطرات آب بر روي سطوح، عموماً در سه مرحله صورت مي گيرد: مرحله سطح تماس ثابت، مرحله زاويه تماس ثابت و مرحله تركيب كه در آن سطح تماس و زاويه تماس توامان كاهش مي‌يابد. حل معادله حاكم بر نرخ تبخير قطره به دليل نامعلوم بودن وابستگي زاويه تماس ديناميكي و شعاع تماس به زمان در طي تبخير قطره، دشوار است. مشاهدات تجربي انجام شده در اين تحقيق نشان مي دهد كه سطوح با پسماند بالا در بيشتر زمان تبخير در مرحله سطح تماس ثابت قرار مي گيرند و اين در حالي است كه قطره بر روي سطوح با پسماند پايين، در بيشتر مدت زمان تبخير، فرآيند زاويه تماس ثابت را تجربه مي كند. در ادامه مقاله، از اين نتيجه استفاده شده و فرض مي شود كه كل فرآيند تبخير بر روي سطوح با پسماند بالا و پايين در يك مرحله غالب صورت مي گيرد و با استفاده از اين فرض، معادله حاكم بر تبخير قطره بر روي سطوح با پسماند بالا و پايين جداگانه و به صورت تحليلي حل مي گردد. هماهنگي بالايي بين نتايج به دست آمده از اين تحليل تيوري با داده هاي تجربي مشاهده مي شود كه اعتبار مدل تحليلي پيشنهادي را تاييد مي كند.

In this paper, the dynamics of evaporation of water droplets on surfaces with different contact angle hysteresis is studied experimentally and theoretically. The evaporation of water droplets on surfaces usually occurs in three distinct stages, namely the constant contact area mode, followed by the constant contact angle mode, and the mixed mode in which both contact angle and contact area are decreased. Due to the unknown nature of the time dependency of both the dynamic contact angle and contact radius, solving the governing equations for the evaporation rate of a droplet is complicated. The experimental observations performed in this study for the evaporation of sessile droplets on different solid substrates under various conditions shows that the surfaces with a high contact angle hysteresis remain more in the constant contact area mode. On the other hand, the surfaces with a low contact angle hysteresis remain more in the constant contact angle mode. Based on these observations, it is assumed that the entire process of evaporation on surfaces with high and low contact angle hysteresis occur in a dominated mode. Next, based on this assumption, the governing equation for the droplet evaporation for both surfaces is solved separately using a theoretical model. A good agreement is observed between the results of the theoretical analysis with those of the experiments; this confirms the validity of the proposed theoretical model.