دفاعیه دکتری در دانشکده مهندسی مکانیک

  چکیده این رساله که راهنمایی آن را دکتر نوروز محمدنوری و مشاوره آن را دکتر مصطفی حسینعلی‌پور برعهده دارند به شرح زیر می‌باشد.

  در این پایان نامه پدیده کاهش نیروی اصطکاک پوسته ایی در مقابل حرکت اجسام در آب به وسیله پوشش‌دهی با مواد آب گریز، به دو شیوه تجربی و شبیه سازی کامپیوتری مطالعه شده است.نیاز به شناخت این پدیده به علت عدم وجود نظریه قطعی در تشریح مناسب فیزیک حاکم بر آن از یک سو و ساده و قابل اجرا بودن آن در شرایط مختلف باعث شد تا تحقیق حاضر انجام گردد. بدین منظور در این تحقیق سعی بر آن بوده تا تشریح مناسبی از پدیده کاهش نیروی اصطکاکی با استفاده از پوشش‌دهی، در مدلسازی‌ها و نتایج تجربی بدست آید و در مراحل انجام پروژه قابلیت مدل استفاده شده و استفاده بهینه از آن مورد توجه بوده است.

  در بخش فعالیت‌های تجربی، طراحی، ساخت، راه‌اندازی و آزمایش تجهیزات برای تولید سطوح آب گریز و مشاهده تاثیر آن انجام شده است. در این بخش ابتدا مطالبی در خصوص روش‌های پوشش‌دهی و عوامل موثر بر آن بیان شده و سپس نحوه آماده‌سازی تجهیزات اولیه برای ایجاد پوشش‌های مناسب آورده شده است. ارائه نتایج حاصل از انجام آزمایشات تجربی و جمع‌بندی مشاهدات عملی که مبین کاهش اصطکاکی پوسته‌ایی است، و در نهایت بررسی امکان تعمیم نتایج برای شرایط دیگر پایان دهنده این بخش می‌باشد.

  دستگاه‌های طراحی و ساخته شده در بخش آزمایشگاهی شامل کوره حرارتی تشعشعی برای مقاوم‌سازی پوشش و همچنین محفظه‌های مورد نیاز برای پوشش‌دهی می‌باشد. به علاوه ساخت و راه‌اندازی تجهیزاتی برای مشاهده تاثیر پوشش در جریان سیال به عنوان میکرو کانال از دیگر فعالیت‌های آزمایشگاهی به شمار می‌رود. در کنار این تجهیزات، طراحی و ساخت دستگاه اندازه‌گیری زاویه دینامیکی قطره، با روش‌های به جز عکسبرداری، برای ارزیابی پوشش انجام شده برای اولین بار صورت گرفته است.

  با استفاده از تجهیزات فراهم شده سطوحی با قابلیت‌تر ناپذیری بالاایجاد شده است. در تولید این سطوح پارامترهای محیطی و آماده‌سازی‌های اولیه‌ایی مورد نظر بوده است که در این بخش سعی شده تا اثر آنها بررسی و پایدارترین حالت برای پوشش ایجاد شده معرفی گردد. نتایج آزمایشات نشان می‌دهد که رطوبت مطلق مناسب و آماده‌سازی اولیه می‌تواند منجر به تولید پوشش‌های آب‌گریزی با دوام بسیار زیاد گردد. بطوریکه سطح پوشش داده شده زاویه تماسی در حدود 170 درجه و زاویه دینامیکی کمتر از 10 درجه را دارا می‌باشد. علاوه بر این پوشش ایجاد شده در داخل آب در حدود 14 روز و در هوا بیش از 6 ماه پایدار است.

  پوشش‌های تولید شده مذکور، برای بررسی کاهش درگ اصطکاکی در جریان داخلی مورد استفاده قرار گرفتند. این جریان شامل جریان درون یک میکرو کانال بود. اندازه‌گیری‌ها برای افت فشار در در دو حالت حضور و عدم حضور پوشش در دبی جریانی یکسان در طول مشخص از میکرو کانال صورت گرفت و نتایج حاکی از دستیابی به کاهش افت فشاری در حدود 30 % در جریان داخلی بود.

  از اهداف دیگر بخش تجربی پیش‌بینی میزان کاهش درگ اصطکاکی برای جریان‌های آشفته و جریان‌های خارجی می‌باشد. برای دستیابی به این هدف از فرضیه‌ایی استفاده شده است. بدین معنا که سطوحی که از یک فرایند ساخت پیروی کنند و نرخ برشی یکسان بر روی آنها برقرار باشد، طول لغزش یکسانی را خواهند داشت. بدین صورت با محاسبه طول لغزش در جریان داخلی میکروکانال امکان محاسبه سرعت لغزشی و در نهایت محاسبه میزان کاهش نیروی اصطکاکی در جریان آشفته داخلی و یا افزایش سرعت در جریان‌های خارجی فراهم خواهد شد. لازم به ذکر است که برای محاسبه دقیق این مسئله، نیاز به انجام آزمایشات کامل‌تر و تجهیزات اندازه‌گیری دقیق‌تر می‌باشد.

  در بخش شبیه‌سازی کامپیوتری نظریه مورد تحقیق، بررسی این مساله است که چگونه می‌توان اثر سطوح آب گریز را در پدیده کاهش درگ توجیه نمود و عوامل موثر بر آن را در مدلسازی وارد کرد. بنابراین در قسمت فعالیت‌های مربوط به مدل‌سازی، با بررسی مدل‌های موجود و روش‌های متداول، از مدلی به منظور امکان بررسی تاثیر پوشش آب گریز در جریان زمینه استفاده شده است. هرچند که مدل استفاده شده مشابه مدل‌های ارائه شده برای شبیه‌سازی پوشش آب گریز می‌باشد اما قابلیت آن در کنار روش‌های شبیه‌سازیی غیر از حل عددی مستقیم از جمله مواردی است که به آن پرداخته شده است. علاوه بر این امکان شبیه‌سازی شرایط مختلف پوشش‌دهی از جمله طولهای لغزش مختلف و لغزش در راستاهای متفاوت با مدل مذکور بررسی شده و در این بخش بطور کامل مطالعه شده است. نتایج محاسباتی نشان می‌دهد که مدل استفاده شده بطور کامل می‌تواند تاثیر سطوح آب گریز را در تغییر شدت آشفتگی و میدان ورتیسیتی نشان دهد.

  از موارد دیگری که در بخش عددی به آن پرداخته شده است استفاده از روش المان تماسی به عنوان یک تابع دیواره می‌باشد. روش لایه تماسی این امکان را فراهم می‌کند تا بتوان با ارائه مدلی در مجاورت دیواره محاسبات را کاهش داد. این روش ضمن حساسیت به گرادیان فشار در فواصل مختلف دیواره قابل اعمال بوده و این ویژگی وجه تمایز این روش نسبت به بسیاری از توابع دیواره می‌باشد. استفاده از مدل المان تماسی باعث کاهش حدود 70% سلول‌های محاسباتی شده، در حالی که تخمین مناسبی از جریان در ناحیه بسیار نزدیک به دیواره به دست آمده است.

  امید است تا نتایج آزمایشگاهی و محاسباتی به دست آمده از این تحقیق، امکان توسعه و بهبود این روش را در تحقیقات آینده روشن‌تر سازد.