بررسی جریان درون میکروکانال‌های با سطوح فوق آب‌گریز با رهیافت حل ترکیبی معادلات نویر استوکس و روش DSMC-IP

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

چکیده

سطوح فوق آب‌گریز به واسطه‌ی ویژگی‌هایی نظیر کاهش مقاومت سطح در مقابل جریان و اثر خود تمیز شوندگی بسیار مورد توجه هستند. به ویژه در جریان درون میکروکانال‌ها که به علت کاهش ابعاد اثر نیروهای سطحی غالب است، استفاده از این سطوح کاربرد فراوان دارد. یکی از راه‌های تولید سطوح فوق آب‌گریز ایجاد شیار روی سطح میکروکانال است. جریان گازی درون شیار با توجه به فشار گاز و ابعاد میکروحفره ممکن است در محدوده جریان رقیق‌شده باشد. در این صورت باید از روش‌های ذره-مبنا برای حل جریان گازی استفاده شود. در این مقاله با استفاده از حل ترکیبی شبیه‌سازی مستقیم مونت‌کارلو و نویر استوکس (DSMC-NS) جریان آرام درون میکروکانال فوق آب‌گریز با دندانه و حفره عمود بر راستای جریان مطالعه شده است. از آن‌جا که سرعت جریان گازی پایین است، برای کاهش نوسانات حل DSMC، از روش نگه‌داری اطلاعات (IP) استفاده شده است. اثر ابعاد میکروحفره روی پارامترهای جریان مانند طول لغزش موثر، سرعت لغزشی و پروفیل سرعت با استفاده از حل ترکیبی DSMC-NS بررسی و نتایج با حل ساده‌سازی شده جریان برش آزاد (SF) روی سطح تماس آب-هوا، مقایسه شده است. این بررسی نشان می‌دهد که هرچند با افزایش کسر برش آزاد اختلاف نتایج دو رهیافت DSMC-NS و SF افزایش می‌یابد، اما این اختلاف در شرایط مورد بررسی در این مطالعه همواره کمتر از % 6 است. بنابراین با هدف کاهش هزینه‌های محاسباتی، می‌توان با دقت قابل قبولی از حل SF استفاده کرد. بویژه در نسبت کسر برش آزاد 0.2>fc که میزان اختلاف به کمتر از% 3 کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of flow in microchannels with superhydrophobic surfaces using hybrid DSMC-NS method accompanied with IP approach

نویسندگان [English]

  • Ali Babakhani
  • Ali Amiri-Jaghargh
Mechanical Department, Engineering Faculty, Razi University, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

In the recent years, superhydrophobic surfaces have received significant attention due to properties such as drag reduction and self-cleaning. Specially in microchannels where the surface forces are dominant, superhydrophobic surfaces are widely applicable. A superhydrophobic surface can be made by grooving the surface. In this case, flow of gas caught in grooves may represent rarefied flow depending on the gas pressure and the length scale of the microcavity. Therefore, the gas flow should be treated with particle based approaches such as direct simulation of Monte Carlo, DSMC. In this paper laminar flow in superhydrophobic microchannels with ribs and cavities aligned perpendicular to the channel axis is investigated using a hybrid DSMC-NS (Navier-Stokes) method. In addition, Information preservation technique (IP) is employed to reduce statistical fluctuations of the DSMC method due to low speed flow in gaseous phase. The effects of the length of the cavity on the flow parameters such as effective slip length, velocity slip and velocity profile are investigated and the results are compared with the simplified method of using NS equations with shear free (SF) boundary condition on the gas-liquid interface. It is shown that the differences between the hybrid DSMC-NS method and SF solution increase as the shear free fraction increases. However, the difference is less than 6% for cases studied in this work. Therefore, it is acceptable to use the SF approach to reduce computational costs. Specially for Fc < 0.2 where the difference is less than 3%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • hybrid DSMC-NS method
  • Direct Simulation Monte Carlo
  • Information preservation method
  • Rarefied flow
  • Superhydrophobic Surfaces