Phasenfeldmodellierung und Simulation des Benetzungsverhaltens von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen

Neben experimentellen Untersuchungen sind numerische Simulationen unabdingbar um komplexe Benetzungsprozesse zu erforschen. Je nach Fragestellung kommen verschiedene Simulationsmodelle zum Einsatz, welche die Probleme auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen beschreiben. In den letzten Jahren haben sich Phasenfeldmodelle als effizientes Werkzeug erwiesen, um Benetzungsvorgänge auf mesoskopischer Skala numerisch zu untersuchen. Der Fokus bisheriger Arbeiten lag jedoch ausschließlich auf Systemen, die lediglich aus einem Tropfen bestehen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Phasenfeldmodell mit einer geeigneten Benetzungsrandbedingung vorgestellt, welche es ermöglicht das Verhalten sowohl einzelner als auch mehrerer nicht mischbarer Tropfen auf festen Oberflächen zu beschreiben. ... mehrFür Systeme bestehend aus einem Tropfen wird gezeigt, dass die simulierten Gleichgewichtszustände sehr gut mit der Theorie und mit den Resultaten vorheriger Arbeiten übereinstimmen. Des Weiteren konnten mit dem entwickelten Phasenfeldmodell erstmals Gleichgewichtsformen von zusammengesetzten Wasser-Öl-Tropfen sowohl auf idealen Oberflächen als auch auf zylindrischen Fasern simuliert und mit experimentellen Arbeiten validiert werden. Zusätzlich wird eine Modellerweiterung vorgestellt, um die Verdunstung eines Tropfens auf chemisch strukturierten Oberflächen zu simulieren. Der Vergleich mit Molekulardynamik- und Lattice-Boltzmann-Simulationen zeigt, dass das entwickelte Phasenfeldmodell die relevanten physikalischen Eigenschaften des Prozesses sehr gut beschreibt und dazu deutlich weniger Rechenaufwand benötigt.

Next to experimental studies, computer simulations have become an integral part of investigating complex wetting processes.
Depending on the question at hand, a variety of numerical methods can be used to describe the problem along different time and length scales. Due to their efficiency, phasefield models have become the tool of choice for numerical investigations of wetting phenomena on the mesoscopic scale. However, previous work has only focused on single droplet systems and therfore the wetting behaviour of immiscible multi-droplets systems has not been investigagted yet. ... mehrIn this thesis a phasefield model with an appropriate wetting boundary condition is developed allowing the simulation of wetting phenemena related to single as well as multi-droplet systems. The following shows that simulated equilibrium shapes of single droplets correspond well with theoretical results as well as previous research findings. Moreover, for the first time equilibrium morphologies of compound water-oil droplets on flat surfaces as well as on zylindrical fibers are numerically computed and validated by means of experimental investigations. Additionally, the phasefield model is extended in order to numercially study the evaporation of droplets on chemically patterned surfaces. A comparison of the obtained phasefield results with moleculardynamics and Lattice-Boltzmann simulations shows that the developed model requires less computational time and describes the relevant physical properties of the process very well.