بررسي زاويه تماس در شبيه‌سازي برخورد قطره به سطح جامد در روش حجم سيال

Contact Angle Comparison of Droplet Impact on Solid Surface Using VOF

در مطالعه حاضر، به بررسي و مقايسه مدل هاي زاويه تماس در پيش بيني رفتار قطره پس از برخورد به سطح جامد پرداخته مي شود. دوفاز غيرقابل تراكم، مخلوط نشدني و سيال ها نيوتني هستند. براي شبيه سازي فصل مشترك بين دوفاز از روش حجم سيال تابع رنگ (CF_VOF) در نرم افزار متن باز اپن فوم استفاده شده است. مدل هاي مختلف زاويه تماسي همچون: مدل تانر و مدل يوكويي در اين نرم افزار پياده و با مدل-هاي موجود در آن همچون: مدل زاويه تماس استاتيكي و ديناميكي مقايسه شده است. اين مطالعه نشان مي دهد مدل زاويه تماس استاتيكي با وجود سادگي بهترين مدل براي پيش بيني رفتار قطره در محدوده وسيعي از شرايط مختلف برخورد قطره به سطح جامد است. نشان داده شده ويسكوزيته سيال در تعيين نوع الگوي برخورد قطره تاثيرگذار است و با افزايش ويسكوزيتهً سيال انرژي بيشتري براي برخاست دوباره قطره از سطح لازم است. همچنين ناپايداري كلوين- هلمهولتز ناشي از اختلاف سرعت بين دو فاز قطره و هوا، بعنوان عاملي در تغيير شكل فصل مشترك بوده و با ايجاد طول موج‌هايي روي سطح مشترك در شبيه سازي‌ها ديده شده است.

In the present work, models that predict contact angle of a droplet with a solid surface are considered and compared. Two phases were assumed to be Newtonian, incompressible and immiscible fluids. OpenFOAM software is applied to simulate the two phases interface by using Color function VOF (CF-VOF) method. Different models for contact angle of a droplet as Tanner and Yokoi models are implemented in the OpenFOAM. In addition, the dynamics and statics contact angle models were used for comparison with recent models in order to choose the best one. The outcome of study shows that, the static contact angle model is simple to understand, and could be the best model to predict the droplet behavior in a wide range of different conditions. The fluid viscosity effect was also considered in different models of the present study. It was concluded that the fluid viscosity affects the type of pattern of droplet impact and as viscosity of fluid increases more energy is needed to uplift the droplet again from the surface. Kelvin-Helmholtz instability (K-H) was also simulated and explained in detail, which initiates on the interface of two fluids due to velocity differences of droplet and the surrounding air.