Gas-vloeistof-interfacedynamica in niet-isotherme sloshing: experimentele analyse en vereenvoudigde modellering

De dynamica van een gas-vloeistof grensvlak is het gevolg van een synergie van krachten, waarbij voornamelijk traagheid, viskeuze dissipatie, zwaartekracht en capillariteit een rol spelen. Dit werk richt zich op de laatste, die ontstaat door de oppervlaktespanning op het gas-vloeistof grensvlak en de interacties met het vaste oppervlak. Dit fenomeen heeft invloed op veel industriële toepassingen, zoals coating, inkjetprinten, oliewinning, microfluïdica en medische laboratorium-op-een-chip apparaten. Maar terwijl normaal gesproken wordt uitgegaan van een evenwicht tussen capillaire en viskeuze krachten, verkent de nieuwste stand van het onderzoek scenario's waarin ook traagheid en interfaceversnelling een centrale rol spelen. Dit geldt bijvoorbeeld voor het beheer van drijfgassen voor de ruimtevaart.
Bij het karakteriseren van de invloed van capillaire krachten op de beweging van het gas-vloeistof grensvlak gaat het zowel om de kleine schalen nabij vaste oppervlakken als om de relatief grote schalen waar de beweging van het vloeistof grensvlak waarneembaar is. Aan de andere kant richt conventioneel onderzoek zich op het analyseren van de interactie tussen een gas-vloeistof interface en een vast oppervlak met behulp van voornamelijk kleinschalige experimentele instellingen.
Deze benadering maakte de weg vrij voor een grote verscheidenheid aan theoretische en empirische formuleringen die ontwikkeld werden voor vereenvoudigde viskeuze testgevallen en gebruikt werden in uitgebreidere numerieke modellen zoals Computational Fluid Dynamics (CFD). 
Helaas worden deze modellen zelden rigoureus gevalideerd onder de omstandigheden die van belang zijn, bijvoorbeeld wanneer capillariteit en traagheid in gelijke mate concurreren bij het regelen van de stroming. Daarom zijn in dit onderzoek nieuwe, nauwkeurig gecontroleerde testgevallen ontwikkeld die als validatiebenchmarks kunnen dienen.
Het primaire onderzoeksgebied van dit proefschrift is het begrijpen en karakteriseren van de dynamica van de interactie van een gas-vloeistof interface met een vast oppervlak voor versnellende contactlijnen en traagheidsgedomineerde condities. De belangrijkste interesse betreft perfect bevochtigende vloeistoffen met een extreem lage oppervlaktespanning, vanwege de gelijkenis met cryogene ruimtedrijfgassen. Voor zover de auteur weet, ontbreekt in de literatuur een rigoureuze en gedetailleerde karakterisering van de capillaire dynamica van deze vloeistoffen.De belangrijkste uitdaging van deze onderzoeksvraag ligt in de aard op meerdere schalen. Dit werk pakte het aan door "inverse problemen" te definiëren waarin de parameters van een gewone differentiaalvergelijking (ODE) worden afgeleid uit de experimentele gegevens. Hiertoe ontwikkelden we testgevallen waarbij we de capillaire gevoeligheid van het gas-vloeistof grensvlak voor de grootschalige beweging van de vloeistof konden karakteriseren. Dit is bereikt door een nieuw traagheidsgecorrigeerd model te introduceren dat het effect van de traagheid van het stromingsveld ver van de contactlijn op de vervorming van het grensvlak omvat.
De experimentele karakterisering maakte uitgebreid gebruik van achtergrondverlichtingstechnieken en randdetectie om de interfacevorm en -positie nauwkeurig te lokaliseren in verschillende opstellingen. Daarnaast gebruikten we zowel Particle Image Velocimetry (PIV) als Particle Tracking Velocimetry (PTV) om de stromingsdynamica in sommige testopstellingen te begrijpen.
De experimenten werden uitgevoerd met verschillende vloeistoffen, waaronder gedemineraliseerd water en viskeuze di-propyleenglycol. In dit werk werd de meeste aandacht besteed aan de karakterisering van HFE7200 en vloeibare stikstof, die werden gekozen als vertegenwoordigers van het oppervlaktespanningsgedrag van cryogene ruimtedrijfgassen. De resultaten van deze experimenten laten zien dat in transiënte omstandigheden de dynamische contacthoek gevormd door het grensvlak met de vaste oppervlakken een lineair verband volgt met betrekking tot de snelheid van de contactlijn. 
De experimenten worden vervolgens vergeleken met 1D integrale modellen die rekening houden met het evenwicht van de belangrijkste krachten in de beweging van de vloeistof. Deze modellen maken het mogelijk om de grootte van de capillaire krachten te kwantificeren voor de verschillende testgevallen die in dit werk zijn geanalyseerd. De karakterisering laat een duidelijk verschil zien tussen experimenten uitgevoerd onder normale zwaartekracht en onder microzwaartekrachtcondities. Dit verschil is het gevolg van het elimineren van de zwaartekracht uit de globale krachtbalans en het delegeren van de gehele dynamica van traagheidskrachten naar de werking van capillaire krachten. De experimenten onder microzwaartekrachtcondities laten ook zien dat voor een versnellende unidirectionele interfacebeweging, de hoge traagheid van de stroming de waargenomen contacthoek bij het grensvlak vergroot, vergeleken met de lineaire relatie die waargenomen wordt als de traagheid laag is.
In de laatste fasen worden de resultaten van de experimentele campagne gebruikt om de CFD simulaties te valideren met enkele van de belangrijkste experimenten. Deze studies benadrukken de hoge maasgevoeligheid van deze simulaties en laten zien hoe dit verminderd kan worden door gebruik te maken van gedeeltelijke slipmodellen. De vergelijking van de experimenten met de numerieke modellen onthult ook de bestaande hiaten in de huidige staat van CFD solvers in het modelleren van capillair-gedreven stromingen en opent de weg voor toekomstige studies die gericht zijn op het verder ophelderen van deze kwesties.