TU Darmstadt / ULB / TUprints

Wetting of geometrical structures in the order of the capillary length

Gerlach, Felix (2021):
Wetting of geometrical structures in the order of the capillary length. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00017417,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
Dissertation_Gerlach.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (21MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Wetting of geometrical structures in the order of the capillary length
Language: English
Abstract:

Wetting phenomena are often analyzed on the basis of single droplets or microscopic liquid flow phenomena. At industry scale such processes are rare and more often larger objects like wide rolls of material or whole car bodies are coated/wetted. At these scales macroscopic flow phenomena have a major impact on the wetting process. However, to simulate such processes it is necessary to reduce the complexity of the object surface in order to reduce the necessary computational resources. Therefore, the effects of geometrical features in the order of the capillary length on wetting have to be known in order to apply models instead of resolving them numerically.

In this thesis the capillary rise in macroscopic right-angled corners is analyzed experimentally in order to capture the main physically relevant effects for large scale wetting. At the beginning of the thesis the experimental equipment and post-processing techniques utilized for the experiments are introduced. This experimental setup allows dipping experiments with objects of a size up to two orders of magnitude above the capillary length to be performed at speeds of 0.01 mm/s to 500 mm/s. These experiments are measured with an optical resolution of approximately 20 μm. After the introduction of the test rig, the new insights into capillary corner rise (also called rivulet rise) are presented.

The interaction between concave and convex corners is analyzed by varying the inter-corner distance. This reveals the different length scales at which the concave corner alters the wetting at the convex corner and vice versa. Two models for the static shape of a rivulet are derived. One model combines different existing models from literature and the second model can be applied more generally and with fewer simplifications.

The dynamics of rivulet rise are analyzed for three different situations. The change in rivulet rise emerging from concave and convex corners in close proximity to each other is analyzed and described empirically. Since industrial surfaces are produced with macroscopic fabrication methods, the corners are not mathematically sharp, but are microscopically round and the effect of this roundness on the rivulet rise is investigated and theoretically modeled. Since many industrial processes involve moving parts and forced wetting, the influence of forced immersion of a corner on the rivulet rise is also analyzed and described with two complementary models.

The thesis concludes with first observations about the influence of roughness on wetting of flat walls. For this topic no models have been developed but different fabrication and measurement techniques have been tested and their characteristics are reported.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Benetzungsphänomene werden häufig auf Basis einzelner Tropfen oder mikroskopischer Strömungsphänomene untersucht. Im industriellen Maßstab sind Prozesse dieser Größenordnung selten und häufiger werden große Objekte wie beispielsweise breite Materialrollen oder ganze Karosserien benetzt/beschichtet. Auf dieser Längenskala haben makroskopische Strömungsphänomene einen entscheidenden Einfluss auf die Benetzung. Um solche Prozesse simulieren zu können ist es, zur Einsparung numerischer Ressourcen, notwendig die Komplexität der Objektoberfläche zu reduzieren. Daher müssen die Benetzungseffekte geometrischer Strukturen in Größenordnung der Kapillarlänge verstanden werden, um sie durch Modelle darzustellen und nicht numerisch auflösen zu müssen. In dieser Studie wird der kapillare Anstieg in makroskopischen, rechtwinkligen Kanten untersucht, um die wichtigsten physikalisch relevanten Effekte für die Benetzung auf großen Längenskalen zu erfassen. Zu Beginn der Thesis werden das experimentelle Equipment und die Datenauswertungsmethoden vorgestellt. Der experimentelle Aufbau ermöglicht Eintauchexperimente mit Proben welche zwei Größenordnungen größer als die Kapillarlänge sind, Geschwindigkeiten von 0,01 mm/s bis 500 mm/s und einer optischen Auflösung von etwa 20 μm. Nach der Erläuterung des Prüfstands werden neu gewonnene Erkenntnisse zum kapillaren Anstieg in Kanten (auch Rivulet genannt) vorgestellt. Durch Variation des Abstands zwischen konkaven und konvexen Kanten wird deren Interaktion untersucht. Dies zeigt die unterschiedlichen Längenskalen auf welchen eine konkave Kante die Benetzung an einer konvexen Kante und umgekehrt beeinflusst. Es werden zwei Modelle für die statische Form von Rivulets hergeleitet, wobei das erste Modell unterschiedliche Literaturmodelle verknüpft, während das zweite Modell allgemeingültiger ist und weniger Vereinfachungen verwendet. Die Dynamik von Rivuletanstiegen wird anhand dreier Situationen untersucht. Die Veränderung des Rivuletanstiegs durch die Nähe von konkaven und konvexen Kanten wird empirisch modelliert. Da industrielle Oberflächen mit makroskopischen Fertigungsmethoden hergestellt werden, sind sie nicht mathematisch scharfkantig sondern weisen mikroskopische Rundungen an den Kanten auf. Der Effekt dieser Rundungen auf den Rivuletanstieg wird analysiert und modelliert. Industrielle Prozesse beinhalten bewegende Teile und erzwungene Benetzungen, daher wird auch der Einfluss von eintauchenden Kanten auf den Rivuletanstieg untersucht und mit zwei sich ergänzenden Modellen abgebildet. Die Thesis schließt mit ersten Beobachtungen über den Einfluss von Rauheit auf die Benetzung flacher Wände. Für dieses Thema wurden keine Modelle erstellt, sondern verschiedene Fertigungs- und Messmethoden getestet. Deren unterschiedlichen Eigenschaften werden vorgestellt.German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: X, 169 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
TU-Projects: DFG|SFB1194|TP A01 Tropea
Date Deposited: 09 Feb 2021 08:03
Last Modified: 09 Feb 2021 08:04
DOI: 10.26083/tuprints-00017417
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-174175
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Hardt, Prof. Dr. Steffen
Refereed: 9 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17417
Export:
Actions (login required)
View Item View Item