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Main Title: Simulation and control of droplets and films on surfaces
Translated Title: Simulation und Kontrolle von Tropfen und Filmen auf Oberflächen
Author(s): Bonart, Carl Henning
Advisor(s): Repke, Jens-Uwe
Referee(s): Repke, Jens-Uwe
Marzouk, Youssef
Wörner, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
References: 10.14279/depositonce-9100
10.14279/depositonce-9643
10.14279/depositonce-9099
10.14279/depositonce-10479
10.14279/depositonce-9101
10.14279/depositonce-11362
Language Code: en
Abstract: Liquid droplets sliding along solid surfaces are frequently observed phenomena in nature, e.g., raindrops on a leaf, and in everyday situations, e.g., drops of water in a drinking glass. Furthermore, sliding droplets (and consequently the suppression of those) are crucial in many applications such as the deicing of planes, coating and separation processes or lab-on-a-chip devices. To simulate the droplet dynamics with high accuracy, we utilize a thermodynamically consistent phase field model for large density ratios. The dynamics of the two-phase flow are described by the coupling between the Cahn-Hilliard (CH) and Navier-Stokes (NS) equations. Especially, the model allows the contact line to slide naturally along the solid surfaces and greatly reduces spurious currents even for low Capillary numbers. In addition, boundary conditions which allow for non-equilibrium contact angles and slip between the moving contact lines and the solid surface are applied. The resulting model forms a very tightly coupled and nonlinear system of equations. Therefore we carefully select the solution strategy to enable efficient and accurate large-scale simulations with millions of degrees of freedom. This includes the linearization and decoupling of the equations, preconditioned Krylov methods for the solution of the arising linear systems as well as anisotropic mesh adaption to guarantee high mesh resolutions. To show the capabilities of our approach we discuss numerous results of flows with or without a moving contact line. In particular, we investigate the influence of single microstructures with sharp corners on the instability onset of overflowing liquid films and the pinning mechanism of sliding droplets on sharp corners. Finally, we introduce the control of both the shape and position of droplets on solid surfaces through optimal contact angle distributions. We demonstrate our approach by pinning a sliding droplet at a specific position on an inclined plate with a desired shape using temporally and spatially varying contact angles.
Flüssigkeitströpfchen, die entlang festen Oberflächen gleiten, sind häufig beobachtete Phänomene in der Natur, z. B. Regentropfen auf einem Blatt, und in alltäglichen Situationen, z.B. Wassertropfen in einem Trinkglas. Darüber hinaus sind gleitende Tröpfchen (und folglich deren Unterdrückung) in vielen Anwendungen, wie z.B. Beschichtungs- und Trennprozesse oder Lab-on-a-Chip-Geräten, von entscheidender Bedeutung. Um die Tröpfchendynamik mit hoher Genauigkeit zu simulieren, verwenden wir ein thermodynamisch konsistentes Phasenfeldmodell für große Dichteverhältnisse. Die Dynamik der Zweiphasenströmung wird durch die Kopplung der Cahn-Hilliard (CH) und Navier-Stokes (NS) Gleichungen beschrieben. Insbesondere ermöglicht das Modell, dass die Kontaktlinie auf natürliche Weise entlang der festen Oberflächen gleitet, und reduziert künstliche Störströme selbst bei niedrigen Kapillarzahlen erheblich. Zusätzlich werden Randbedingungen angewendet, die dynamische Kontaktwinkel und Schlupf zwischen der bewegten Kontaktlinien und der festen Oberfläche zulassen. Das resultierende Modell bildet ein sehr eng gekoppeltes und nichtlineares Gleichungssystem. Um effiziente und genaue Simulationen in großem Maßstab mit Millionen von Freiheitsgraden zu ermöglichen, wählen wir sorgfältig die Lösungsstrategie aus. Dies beinhaltet die Linearisierung und Entkopplung der Gleichungen, vorkonditionierte Krylov-Methoden zur Lösung der entstehenden linearen Systeme sowie die anisotrope Gitteranpassung, um hohe Netzauflösungen zu gewährleisten. Um die Fähigkeiten unseres Ansatzes aufzuzeigen, diskutieren wir zahlreiche Ergebnisse von Strömungen mit und ohne beweglichen Kontaktlinie. Insbesondere untersuchen wir den Einfluss einzelner Mikrostrukturen mit scharfen Ecken auf die Bildung von Instabilitäten in überströmenden Flüssigkeitsfilmen und das Festhalten von gleitenden Tröpfchen an scharfen Ecken. Schließlich führen wir die Steuerung sowohl der Form als auch der Position von Tröpfchen auf festen Oberflächen durch optimale Kontaktwinkelverteilungen ein. Wir demonstrieren unseren Ansatz, indem wir ein gleitendes Tröpfchen an einer bestimmten Position auf einer geneigten Platte mit einer gewünschten Form unter Verwendung zeitlich und räumlich variierender Kontaktwinkel fixieren.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12491
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11313
Exam Date: 5-Jan-2021
Issue Date: 2021
Date Available: 11-Feb-2021
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): microfluidics
Cahn–Hilliard–Navier–Stokes
contact line dynamics
contact angles
droplet phenomena
liquid films
optimal control
Mikrofluidik
Dynamik der Kontaktlinie
Kontaktwinkel
Tropfenphänomene
Flüssigkeitsfilme
Optimalsteuerung
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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