بررسی عددی انجماد قطره های آب در محیط های گرم و سرد به روش لتیس- بولتزمن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

2 'گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

چکیده

این تحقیق چگونگی انجماد قطرات آب در محیط های گرم و سرد را بررسی نموده و با تکیه بر نتایج عددی حاصل به دنبال معرفی تقریبی ساده برای پیشبینی زمان انجماد است. روش عددی مورد استفاده، روش لتیس- بولتزمن و تقریب مورد استفاده در بخش جریان‌های چند فازی، روش انرژی آزاد است. در این روش بر خلاف رویه غالب از معادله کاهن-هیلیارد برای رهگیری فازهای متفاوت جریان استفاده می‌شود که تطبیق پذیری بیشتری با ترمودینامیک جریان دارد. نتایج حاصل از شبیه‌سازی حاکی از آن است که در بخش قابل توجهی از زمان انجماد، حل یک‌بعدی می‌تواند پیش بینی مناسبی از روند انجماد ارائه نماید. با این توصیف، تحقیق پیش روی مفهوم جدیدی تحت عنوان طول یک‌بعدی معادل را به عنوان معیاری از زمان انجماد قطره معرفی می‌نماید و در ادامه به بررسی اثر عوامل مختلف بر این مفهوم می‌پردازد. شبیه‌سازی-های صورت گرفته نشان می‌دهد، دمای هوا و زاویه تماس قطره با سطح جامد مهمترین عوامل موثر بر طول معادل یک‌بعدی قطره هستند. اثرات متقابل دمای هوا و زاویه تماس به گونه‌ای است که می‌تواند اثربخشی سطوح آبگریز در به تاخیر انداختن انجماد را در محیط‌های سرد کاهش دهد. چگونگی وابستگی طول معادل یک‌بعدی به عدد استفان حاکی از آن است که فرآیند انجماد در محیط‌های سرد همخوانی بیشتری با الگوی انجماد یک‌بعدی خواهد داشت. نتایج حاصل از این تحقیق می‌تواند نقش به سزایی در درک پدیده انجماد قطره‌های آب داشته و مبنای جدیدی را در ارزیابی روش‌های پیشگیری از انجماد معرفی نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical investigation of water droplet freezing in warm and cold environments using the lattice Boltzmann method

نویسندگان [English]

  • Amin Vejdani Khoshbakht 1
  • Omid Reza Mohammadipour 2
1 Department of Mechanical Engineering, Payame Noor University, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Payame Noor University, Tehran, Iran
چکیده [English]

This study aims to investigate the solidification process of water droplets in both cold and warm environments. Using numerical simulations, a new simple approach has been introduced to predict the freezing time of droplets. Numerical study is based on the free energy lattice Boltzmann method, which employs the Cahn-Hilliard equation to achieve thermodynamic consistency in simulations. Numerical results show that even though a 1D solution is simple, it can still provide good approximations for a significant portion of the freezing process. In this regard, the paper introduces a new concept called one-dimensional equivalent length as a measure of freezing time. Consequently, the way this new concept can be affected by environmental conditions is investigated in detail, revealing that air temperature and contact angle can have the most dominant effects. It has been shown that the presence of cold air around the droplet can reduce the anti-icing performance of hydrophobic surfaces. The way in which the one-dimensional length depends on the Stefan number suggests that ice layer growth in a cold environment is more similar to what happens in 1D solidification. The paper provides a new insight into water solidification and meanwhile introduces a new concept to assess the performance of anti-ice techniques.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Droplet solidification
  • Lattice -Boltzmann method
  • Freezing time
  • Warm environment
  • Cold environment