Phasenfeld Simulationen eines Tropfenaufpralls auf strukturierten Oberflächen

Das Benetzungsverhalten gerillter, hydrophober und superhydrophober Oberflächen wird anhand von Tropfenaufprallsimulationen untersucht. Die Phasenfeld Methode, die auf der Koppelung der Navier-Stokes Gleichungen mit der Cahn-Hilliard Gleichung beruht, ist für die Simulation des Tropfenaufpralls besonders geeignet, da sie die Bewegung der Kontaktlinie auf der festen Oberfläche trotz der Haftbedingung erlaubt. Die Hauptparameter der Phasenfeld Methode sind die Cahn Zahl und der Mobilitätsfaktor. Zunächst wird die Sensitivität der Lösung bezüglich dieser Hauptparameter mittels 2D Simulationen auf glatten Oberflächen untersucht. ... mehrDabei wird eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment angestrebt. Auf dieser Basis kann die 3D Simulation des Tropfenaufpralls auf 60 µm und 180 µm gerillten Oberflächen mit einem Tropfendurchmesser von 2,1 mm durchgeführt werden. Um den Rechenaufwand möglichst gering zu halten, wird das Verhältnis zwischen Grenzflächendicke und Rillenbreite untersucht. Schließlich kann in Simulationen mit gerillten Oberflächen der Übergang vom Cassie-Baxter- in den Wenzel-Zustand und auch der sogenannte pinning-Effekt beobachtet werden.

The wetting behaviour on grooved, hydrophobic and superhydrophobic surfaces is investigated performing droplet impact simulations. The phase field method is particularly suited for the simulations of droplet spreading on solid surfaces: based on the coupling of the Navier-Stokes equations with the Cahn-Hilliard equation, it allows the movement of the contact line in spite of the no-slip condition. The main parameters of the phase field method are the Cahn number and the mobility factor. First, 2D simulations are performed on smooth surfaces to get a better understanding of the influence of those parameters. ... mehrThereby, a good agreement with experimental data is aimed for. Based on those results, 3D simulations of droplet spreading on 60 µm and 180 µm grooved surfaces with a droplet's diameter of 2,1mm are performed. In order to keep the computational cost as small as possible, the behaviour between the diffuse interface thickness and the groove width is investigated. The simulations on grooved surfaces allow the observation of the transition from Cassie-Baxter's to Wenzel's state as well as the so-called pinning effect.