مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

توسعه و ارزیابی مدلی جهت محاسبه ضریب اصطکاک پوسته ای و کاهش پسای صفحه تخت فوق آب گریز

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
محمد سعادت بخش 1
صادق صادق زاده 2
1 دانشگاه خوارزمی
2 دانشگاه علم وصنعت ایران
10.48311/MME.24.5.281
چکیده
سطوح فوق آب‌گریز به عنوان روشی اساسی جهت کاهش پسای اصطکاکی اجسام غوطه ور در آب مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. ارزیابی دقیق و پیش‌بینی مقدار کاهش پسای ناشی از به کارگیری این سطوح نیازمند اندازه گیری های هزینه بر، شبیه سازی های عددی و یا توسعه مدل‌ها و روابط قابل اعتماد می باشد. در این مقاله یک مدل برای محاسبه ضریب اصطکاک پوسته‌ای و کاهش پسای سطوح تخت فوق‌آب‌گریز ارائه می شود. از داده‌های پیشین مربوط به ضریب اصطکاک پوسته‌ای سطوح تخت با شرایط مرزی عدم لغزش استفاده شده و مدلی ارائه می شود که به کمک آن بتوان کاهش پسای اصطکاکی و ضریب اصطکاک پوسته ای این سطوح را پس از اعمال پوشش های فوق آب گریز محاسبه نمود. با استفاده از شبیه‌سازی عددی، نتایج مدل با نتایج شبیه‌سازی جریان سیال روی صفحه تخت در سرعت‌های مختلف مقایسه شده و اعتبار مدل تایید شده است. نتایج مدل و شبیه سازی نشان دهنده آن است که در سرعت‌های ورودی 1، 5 و 25 متر بر ثانیه و طول لغزش 50 میکرون، کاهش پسای اصطکاکی به ترتیب 15، 41 و 77 درصد انتظار می‌رود. همچنین، با افزایش عدد رینولدز جریان، کاهش اصطکاک پوسته‌ای افزایش می یابد. مدل توسعه داده شده برای سطوح تخت اعتبارسنجی شده و توانایی آن در محاسبه ضریب اصطکاک پوسته ای و نیروی پسای این سطوح به دقت مورد بررسی قرار گرفته است. با این حال برای بررسی اعتبار مدل برای سطوح با انحنا و طول لغزش متغیر، تحقیقات بیشتری نیاز می باشد.
کلیدواژه‌ها
صفحه تخت
کاهش پسا
ضریب اصطکاک پوسته ای
فوق آب گریز
طول لغزش

موضوعات

عنوان مقاله English

Development and Evaluation a Model to Calculate the Skin Friction Coefficient and the Friction Drag Reduction of a Superhydrophobic Flat Plate

نویسندگان English

Mohammad Saadatbakhsh 1
Sadegh Sadeghzadeh 2
1 Kharazmi University
2 Iran University of Science and Technology
چکیده English

Superhydrophobic surfaces have gained significant attention as a promising approach for drag reduction of submerged objects. Accurate evaluation and prediction of drag reduction induced by these surfaces require expensive experimental measurements, numerical simulations, or the development of reliable models and correlations. In this paper, a model is proposed for calculating the skin friction coefficient and drag reduction of superhydrophobic flat surfaces. Utilizing previous data on the skin friction coefficient of flat surfaces under no-slip boundary conditions, a model is developed to estimate the skin friction reduction and skin friction coefficient of these surfaces after applying superhydrophobic coatings. The validity of the model is verified by comparing its results with those of computational fluid dynamics (CFD) simulations of flow over a flat plate at different velocities. The results of the model and simulations indicate that for inlet velocities of 1, 5, and 25 m/s and a slip length of 50 μm, drag reductions of 15%, 41%, and 77%, respectively, are expected. Additionally, the skin friction reduction increases with increasing flow Reynolds number. The developed model is validated for flat surfaces and its ability to accurately estimate the skin friction coefficient and drag force of these surfaces is thoroughly examined. However, further investigations are required to assess the model's validity for curved surfaces and variable slip lengths.

کلیدواژه‌ها English

Flat plate
Drag Reduction
Skin friction coefficient
Superhydrophobic
Slip length
1. Feng, L., et al., Super‐hydrophobic surfaces: from natural to artificial. Advanced materials, 2002. 14(24): p. 1857-1860.
2. Tian, H., et al., Effect of hierarchical structured superhydrophobic surfaces on coherent structures in turbulent channel flow. Experimental Thermal and Fluid Science, 2015. 69: p. 27-37.
3. Bhushan, B. and Y.C. Jung, Natural and biomimetic artificial surfaces for superhydrophobicity, self-cleaning, low adhesion, and drag reduction. Progress in Materials Science, 2011. 56(1): p. 1-108.
4. Kiani, M.J., et al., Robotic digital microfluidics: a droplet-based total analysis system. Lab on a Chip, 2023. 23(4): p. 748-760.
5. Guan, N., et al., Experimental and theoretical investigations on the flow resistance reduction and slip flow in super-hydrophobic micro tubes. Experimental Thermal and Fluid Science, 2015. 69: p. 45-57.
6. Martell, M.B., J.P. Rothstein, and J.B. Perot, An analysis of superhydrophobic turbulent drag reduction mechanisms using direct numerical simulation. Physics of Fluids, 2010. 22(6).
7. Saadat-Bakhsh, M., N. Nouri, and H. Norouzi, On the mechanism of drag reduction in fully-developed turbulent channel flow with a streamwise micro-featured superhydrophobic wall. Journal of Applied Fluid Mechanics, 2017. 10(5): p. 1363-1374.
8. Ming, Z., et al., Fluid drag reduction on superhydrophobic surfaces coated with carbon nanotube forests (CNTs). Soft Matter, 2011. 7(9): p. 4391-4396.
9. Srinivasan, S., et al., Sustainable drag reduction in turbulent Taylor-Couette flows by depositing sprayable superhydrophobic surfaces. Physical review letters, 2015. 114(1): p. 014501.
10. Lee, C. and C.-J. Kim, Underwater restoration and retention of gases on superhydrophobic surfaces for drag reduction. Physical review letters, 2011. 106(1): p. 014502.
11. Nouri, N.M., M. Shamsi, and M. Saadat Bakhsh, Hydrophobic coating of aluminum flake particles and application of these particles to produce superhydrophobic surfaces. Modares Mechanical Engineering, 2016. 16(4): p. 289-296.
12. Ansari, A., et al., Antifouling activity of superhydrophobic PDMS/hydrophobic silica coating. Surface Engineering, 2023. 39(1): p. 35-48.
13. Saadat-Bakhsh, M., H.R. Ahadian, and N.M. Nouri, Facile, robust and large-scale fabrication method of mechanically durable superhydrophobic PDMS/aerogel coating on fibrous substrates. Cellulose, 2017. 24: p. 3453-3467.
14. MOHAMMAD, N.N., B.M. SAADAT, and R. Bagheri, ROBUST SUPER HYDROPHOBIC SURFACE WITH POLYTETRAFLUOROETHYLENE (PTFE), MICRO SIZED ALUMINUM PARTICLES AND SIO2 NANO-PARTICLES. 2016.
15. Nouri, N.M. and M. Saadat-Bakhsh, Fabrication method of large-scale and mechanically durable superhydrophobic silicon rubber/aerogel coating on fibrous substrates. Journal of Coatings Technology and Research, 2017. 14: p. 477-488.
16. Jung, Y.C. and B. Bhushan, Biomimetic structures for fluid drag reduction in laminar and turbulent flows. Journal of Physics: Condensed Matter, 2009. 22(3): p. 035104.
17. Aljallis, E., et al., Experimental study of skin friction drag reduction on superhydrophobic flat plates in high Reynolds number boundary layer flow. Physics of fluids, 2013. 25(2).
18. Park, H. and G. Sun, Superhydrophobic turbulent drag reduction as a function of surface grating parameters. Journal of Fluid Mechanics, 2014. 747: p. 722-734.
19. Saadatbakhsh, M., et al., Slip length measurement of pdms/hydrophobic silica superhydrophobic coating for drag reduction application. Surface and Coatings Technology, 2020. 404: p. 126428.
20. Muralidhar, P., et al., Influence of slip on the flow past superhydrophobic circular cylinders. Journal of Fluid Mechanics, 2011. 680: p. 459-476.
21. Ou, J., B. Perot, and J.P. Rothstein, Laminar drag reduction in microchannels using ultrahydrophobic surfaces. Physics of fluids, 2004. 16(12): p. 4635-4643.
22. Choi, C.-H., et al., Effective slip and friction reduction in nanograted superhydrophobic microchannels. Physics of fluids, 2006. 18(8).
23. Park, H., H. Park, and J. Kim, A numerical study of the effects of superhydrophobic surface on skin-friction drag in turbulent channel flow. Physics of Fluids, 2013. 25(11).
24. McHale, G., et al., Terminal velocity and drag reduction measurements on superhydrophobic spheres. Applied Physics Letters, 2009. 94(6).
25. Munson, B.R., A.P. Rothmayer, and T.H. Okiishi, Fundamentals of fluid mechanics. 2012: Wiley Global Education.
26. Nouri, N.M., M.S. Bakhsh, and S. Sekhavat, Analysis of shear rate effects on drag reduction in turbulent channel flow with superhydrophobic wall. Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 2013. 25(6): p. 944-953.
27. Fluent, A., Ansys fluent theory guide. Ansys Inc., USA, 2011. 15317: p. 724-746.
28. Schetz, J.A. and R.D. Bowersox, Boundary layer analysis. 2011: American Institute of Aeronautics and Astronautics.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 24، شماره 5
اردیبهشت 1403
صفحه 281-291