< Terug naar vorige pagina

Project

Hoe nanovloeistoffen de druppelimpact op een vast substraat en de warmteoverdracht van oppervlak naar druppel beïnvloeden

Het doel van dit proefschrift is om het effect te begrijpen van toegevoegde nanodeeltjes op zowel de hydrodynamica als de warmteoverdracht van druppeltjes die inslaan op vast substraat. Daarom wordt in het eerste deel de impact van nanovloeistofdruppels op een glad saffiersubstraat experimenteel onderzocht over brede reeksen van Reynolds (100 < $\Re$ < 10000) en Weber (50 < $\We$ < 500) getallen voor drie \Al~nanovloeistof massaconcentraties van 0.01~wt.\%, 0.1~wt.\% en 1~wt.\% met behulp van hogesnelheidsfotografie om het effect van nanodeeltjes op druppelverspreiding en verspreiding-naar-spatovergang te bestuderen. In het laatste deel wordt nog een reeks experimenten uitgevoerd met \Ti~nanovloeistoffen met massaconcentraties van 0.2~wt.\%, 0.5~wt.\% en 1~wt.\% met behulp van zowel hogesnelheidsfotografie als hogesnelheidsthermografie. De nanovloeistofeigenschappen dichtheid, viscositeit, oppervlaktespanning, thermische geleidbaarheid, stabiliteit en deeltjesgrootteverdeling worden experimenteel gekarakteriseerd en gebruikt om beide delen van dit werk te beschrijven en te modelleren.

In het eerste deel van het proefschrift wordt een nieuw model voor maximale spreiding op basis van energiebalans geïntroduceerd met een nieuw model voor maximale spreidingstijd waarin de viscositeit van de vloeistof is verwerkt. Een groot deel van de kaart $\We$ vs. $\Re$ is bedekt met zeven verschillende concentraties waterige glyceroloplossingen. Dit nieuwe maximale spreidingsmodel wordt vergeleken met andere uit de literatuur om het effect van het bestaan van nanodeeltjes in de overeenkomstige basisvloeistoffen te evalueren. Daarna wordt het effect op de overgang van spreiden naar smeren geëvalueerd. Het is aangetoond dat zelfs een klein deel van de nanodeeltjes in vloeistoffen het spatgedrag van een druppel bij impact op een glad oppervlak beïnvloedt. Nanovloeistoffen beïnvloeden deze overgangsgrens door spatten bij lage Reynoldsgetallen te bevorderen. We verklaren dit gedrag door de verhoogde lamellenspreidingssnelheid en lift tijdens de lamellenspreidingsfase. Ten slotte ontwikkelen we een empirische correlatie die voor het eerst de spatdrempelafhankelijkheid van de concentratie van nanodeeltjes beschrijft.

In het tweede en laatste deel onderzoeken we het effect van \Ti~nanovloeistoffen en hun concentraties op de vroege stadia van druppelverspreiding op een heet oppervlak onder het kookpunt (80~\deg). Hiertoe worden water en drie op water gebaseerde \Ti~nanovloeistoffen met verschillende concentraties, d.w.z. 0.2~wt.\%, 0.5~wt.\% en 1~wt.\%, getest bij vier impactsnelheden op een glad TiAlN-gecoat saffiersubstraat. Om systematische resultaten te bereiken om het effect te zien van het bestaan van alleen nanodeeltjes in de vloeistof, worden de thermische en reologische eigenschappen van de nanovloeistoffen experimenteel gekarakteriseerd en meegenomen in de berekeningen. Experimentele resultaten laten zien dat de nanovloeistoffen een iets kleinere verspreiding vertonen dan in het geval van water. Het gekoelde gebied verandert ook niet met de toevoeging van nanodeeltjes. Bovendien is de temperatuurdaling op het impactpunt ook onafhankelijk van zowel de impactsnelheid als de nanodeeltjesconcentratie. Bovendien levert de nanovloeistof met de grootste concentratie (1~wt.\%) een verbetering van minder dan 9~\% op in de gemiddelde koelprestaties tijdens de eerste 5~ms van de druppelverspreiding, wat nauwelijks het onzekerheidsniveau overschrijdt ($\approx6~\%$) van de metingen.

Datum:20 aug 2018 →  19 dec 2022
Trefwoorden:nanofluids, spray cooling, two phase flow
Disciplines:Productietechnieken, Veiligheidsingenieurswetenschappen, Elektrische energietechniek, Energieopwekkings-, conversie- en opslagtechniek, Thermodynamica, Mechanica, Mechatronica en robotica
Project type:PhD project