Modelování proudění s uvažováním vlivu smáčivosti povrchů

Abstract

Disertační práce se zabývá modelováním proudění s uvažováním vlivu částečné smáčivosti stěn a fyzikálními a numerickými metodami určení adhezního koeficientu. V úvodní části se nachází přehled současného stavu problematiky částečné smáčivosti a cíle disertace. V další části práce jsou blíže popsány základní definice povrchového napětí a povrchové energie kapalin i pevných povrchů. Na příkladu kapky kapaliny, která je ve styku s povrchem různých pevných látek, je znázorněno, jak velkou roli hrají hodnoty povrchové a mezifázové energie jednotlivých fází při posuzování částečné smáčivosti povrchů kapalinami. Metodika zkoumání vlivu částečné smáčivosti povrchů na proudění kapalin je rozdělena na přístupy z hlediska fyzikálních experimentů, matematických modelů vybraných úloh a jejich numerického modelování. Jsou uvedeny základní rovnice pro proudění skutečné kapaliny, jejichž znalost je důležitá pro numerické modelování vybraných úloh. Následuje stručné představení vícefázových modelů, kterými jsou řešeny dvě úlohy v disertaci – kapka na nakloněné rovině a kavitace v Lavalově dýze. Poté je uveden přehled výsledků z fyzikálních experimentů a numerického testování úloh a specifikace adhezního součinitele. Vliv částečné smáčivosti povrchu na proudové pole je zkoumán na jednoduché geometrii potrubí kruhového průřezu. V práci je uveden popis fyzikálního experimentu, kdy se měřením třecích ztrát v potrubí různých materiálů určovala míra smáčivosti daného materiálu. Tento experiment je řešen i numericky, kdy je vytvořená uživatelsky definovaná funkce (UDF) zahrnující částečnou smáčivost stěn aplikována do numerických výpočtů. Numerické vyšetření pohybu kapky po nakloněné smáčivé a částečně smáčivé stěně ukazuje, že pomocí software FLUENT můžeme modelovat i tento specifický problém. Ve výpočtech je opět využito vytvořené UDF, čímž se mění částečná smáčivost stěny. Na příkladu kavitace v Lavalově dýze je předvedeno, že částečnou smáčivost stěn lze použít i v aplikacích, kde se setkáváme právě s kavitací. Úloha představuje možnost dalšího využití teorie částečně smáčivých stěn ve složitějších aplikacích. V závěru práce jsou zformulovány závěry plynoucí z disertace, vědecký přínos práce a výstupy pro praxi.

Dissertation is focused on modelling of flow with application of the partially wettable wall boundary condition and physical and numerical methods of adhesive coefficient definition. The introductory section provides an overview of the current state of the problem of partial wetting and aims of the dissertation are named. In the next part of the work the basic definitions of surface tension and surface energy of liquids and solid surfaces are described in more details. The example of liquid droplet in contact with the various solid surfaces shows how much the surface and interphase energy of individual phases influences the partial wetting phenomena. The methodology of surface partially wetting investigation and its effect on liquid flow is divided into approaches in terms of physical experiments, mathematical models of selected problems and their numerical modelling. The basic equations for flow of real liquid are introduced, their knowledge is important for numerical modelling of selected tasks. A brief introduction of multiphase models follows; these models solve two issues in dissertation – a water drop on an inclined plane and cavitation in the Laval nozzle. The next part of dissertation provides a summary of the results of physical experiments and numerical testing of selected tasks and specification of adhesive coefficient. The effect of partial wetting surface on flow is studied in simple pipe geometry of circular cross section. The description of physical experiment is introduced, when the measurement of the friction losses in pipes of different materials determined the level of material wettability. This experiment is also solved numerically and the created user-defined function (UDF) including partial wettability of the walls is applied to numerical calculations. Numerical investigation of drop movement on an inclined wettable and partially wettable wall shows that we can simulate this specific problem with the software FLUENT. UDF function for changing the partial wettability of wall is used in numerical calculations. The example of cavitation in the Laval nozzle demonstrates that the wall partial wetting can be used in applications where the cavitation is observed. This task presents a possibility of further using of the partially wettable wall theory in more complex applications. The conclusions from the dissertation, scientific contribution of the work and outputs for practice are formulated at the end of the work.