Modeling and simulation of wetting and icing on laser-structured surfaces

Abstract

Die Bearbeitung von Oberflächen mit Laser ist eine leistungsfähige Methode, um ihre Eigenschaften zu verändern, die je nach Anwendung unterschiedlich sein können. Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde das Benetzungs- und Vereisungsverhalten eines Wassertropfens auf laserstrukturierten Oberflächen mit numerischen Methoden untersucht. Ein Mehrphasensolver wurde um verschiedene Oberflächenspannungsmodelle erweitert und jedes Modell mit analytisch lösbaren Testfällen verglichen. Danach wurde die Benetzung von ebenen Oberflächen simuliert, um die Interaktion zwischen der festen Platte und dem Tropfen besser untersuchen zu können. Benetzungs- und Vereisungssimulationen auf laserstrukturier-ten Oberflächen wurden mit dem Modell durchgeführt, das in den vorherigen Tests die besten Ergebnisse geliefert hatte. Laut den Ergebnissen kann das Oberflächenspannungsmodell die durch die Laserbearbeitung veränderten Oberflächeneigenschaften reproduzieren. Außerdem wurde festgestellt, dass sowohl das Benetzungs- als auch das Vereisungsverhalten des Tropfens von der simulierten Tropfengröße abhängen. Während der Untersuchungen wurde ein Tropfendurchmesser ermittelt, ab dem sich die Ergebnisse nicht mehr ändern. Im Laufe der Arbeit wurde der Einfluss von numerischen Parametern wie Grenzflächenkompression und Bewegungseinschränkung von Festkörpern analysiert. Weiterhin wurden verschiedene numerische Methoden untersucht, um die Simulationen zu stabilisieren und beschleunigen.

Laser processing of surfaces is a powerful method for changing their properties, which can vary depending on the application. In this thesis, the wetting and icing behavior of a water droplet on laser-structured surfaces was investigated using numerical methods. A multiphase solver was extended by various surface tension models and each model was compared with analytically solvable test cases. Then, the wetting of flat surfaces was simulated in order to better investigate the interaction between the solid plate and the droplet. The wetting and icing simulations on laser-structured surfaces were performed with the model that delivered the best results in the previous tests. According to the results, the surface tension model can reproduce the modified surface characteristics due to laser processing. It was also found that both the wetting and icing behavior of the droplet depend on the simulated droplet size. During the analysis, a droplet diameter was determined at which the results no longer change. Throughout the work, the influence of numerical parameters such as interface compression and solid movement restriction was analyzed. In addition, several numerical methods were tested to obtain more stable and faster simulations.