Experimentell studie av vätskeimpregnerade ytor i turbulenta och laminära flödesregimer
Tid: Fr 2025-02-14 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk mekanik
Respondent: Sofia Saoncella , Teknisk mekanik
Opponent: Professor Staffan Lundström, Luleå University of Technology
Handledare: Shervin Bagheri, Strömningsmekanik; Fredrik Lundell, Strömningsmekanik
QC250122
Abstract
Turbulenta flöden är svåra att undvika i både naturliga och industriella sammanhang. Artificiella ytor spelar en viktig roll när det gäller att manipulera dessa flöden för ökad effektivitet och prestanda inom en rad olika tillämpningar. Bland sådana ytor är impregnerade ytor (s.k. liquid-infused surfaces, LIS) en ny teknik som har potential för att minska fluidmotståndet och motverka påväxt på ytor. Den praktiska implementeringen av LIS står dock inför utmaningar på grund av att smörjmedlet dräneras under höga skjuvspänningar. Dessutom kan olika typer av partiklar i det strömmande mediet (t.ex. ytaktiva ämnen) försämra prestandan av LIS avsevärt. För tillfället, dominerar numeriska studier forskningsområdet, och det finns därför ett stort behov av experimentella studier för att validera dessa resultat och vägleda framtida forskningsriktningar. Denna avhandling tar itu med dessa utmaningar genom att undersöka hur impregnerade ytor presterar i turbulenta och laminära flöden.
De viktigaste bidragen inkluderar design och validering av den experimentella anläggningen för turbulenta flöden, kallad F-SHARC, med vilken studien av dränering av smörjmedel genomfördes. Vidare, har vi utvärderat glidhastigheten på LIS i en kontrollerad laminär kanal med hjälp av Doppler-optisk koherenstomografi (s.k. D-OCT). Vi visar att, i turbulenta miljöer, så är kontaktvinkelhysteres, snarare än kemisk kompatibilitet, en viktig mekanism för att motverka dränering och därmed förlänga livslängden för LIS som exponeras för strömning. En teoretisk modell som förutsäger den maximala längden av smörjmedelsdroppar, har utvecklas och valideras. Fluorescensavbildning och numeriska simuleringar kompletterar varandra i förståelsen av de fysiska mekanismer som reglerar dropparnas bildning och form.
I den laminära regimen avslöjar våra mätningar av glidhastigheten den betydande inverkan av ytaktiva ämnen, som rigidifierar vätske-vätskegränssnittet och drastiskt minskar glidlängden. Experimentella resultat tyder på att även mindre partiklar kan försämra LIS-prestandan genom Marangoni-spänningar som motverkar flödet. En omfattande studie av glidlängdsdefinitioner förfinar ytterligare förståelsen av gränssnittsdynamik och förenar avvikelser mellan experimentella och numeriska tillvägagångssätt.
Denna avhandling belyser potentialen hos delvis vätande LIS-konstruktioner för att övervinna konventionella begränsningar och bidrar till framsteg för skalbara, hållbara applikationer i tuffa miljöer. Genom att kombinera experimentella, numeriska och teoretiska metoder bidrar detta arbete till en förståelse av dynamiken hos impregnerade ytor. Dessa resultat kan utvidgas till flerfasflöden och till utforskningen av biokompatibla, hållbara LIS-material för användning i marina och biomedicinska tillämpningar.