Investigation of Wetting Characteristics for Testing Media Tightness in Power Electronics

This dissertation presents a comprehensive study of experimental and numerical investigations into two-phase flow processes relevant to industrial applications, such Lab-On-a-Chip applications and electronic components with stringent sealing requirements. The inherent complexity and compactness of power electronics poses a strict requirement to the media tightness, focusing on preventing fluid penetration and accumulation through unforeseen microfractures along sealing joints or other connection positions. These processes are characterized by sub-millimeter scales, complex geometries, and varied solid substrates. At this scale, surface tension forces and contact line dynamics play critical roles, highlight ing that an accurate interface curvature approximation and robust dynamic contact angle modeling are essential to ensure reliable predictions and analyses. Four rectangular microchannels with increasing geometrical complexity- featuring three hydrophilic walls and one hydrophobic wall- were studied to examine dynamic wetting behaviors with the goal of replicating key fluid interaction features found in sealing joints. This specific combination of contrasting surface properties introduces complex wetting interactions that are novel and particularly challenging to capture accurately in numerical simulations. Five dynamic contact angle models were implemented and systematically evaluated within a Volume-of-Fluid (VoF) numerical framework. Among them, the Molecular Kinetic Theory (MKT) model consistently showed the best agreement with experimental data, demonstrating its superior predictive capability for contact line dynamics and wetting behavior in heterogeneous microchannels. To further investigate fluid penetration phenomena relevant to media tightness, four T-shaped rectangular microchannels with varying crevice widths and rounding edge radii were examined. It was found that the rounding radius has a more significant impact on the pinning effect than the crevice width, providing new insights and actionable design guidance for improving leakage resistance in industrial components. However, the results from both single-phase and two-phase flow simulations highlight the challenges in accurately capturing multiphase microfluidics in industrial and geometrically complex domains. A key methodological contribution of this work is the development of two novel, automated image processing methods tailored to capture interface movement and dynamic contact angles in arbitrarily shaped microchannels. These methods serve as straightforward and robust approaches for analyzing experimental findings, significantly reducing the time required for manual steps while enhancing the reliability and reproducibility of the results. Overall, this dissertation contributes to a deeper understanding of the two-phase flow processes present in industrial multiphase microfluidics with a focus on fluid penetration behaviors. It offers new experimental insights into interface dynamics over curved, rough, and chemically heterogeneous surfaces, while critically evaluating the capabilities and limitations of current numerical approaches. The findings lay important groundwork for achieving predictive, robust simulations in real-world applications where surface tension effects and wetting behaviors govern system performance

In dieser Dissertation wird eine umfassende Studie über experimentelle und numerische Untersuchungen von Zweiphasenströmungsprozessen vorgestellt, die für industrielle Anwendungen wie Lab-On-a-Chip-Anwendungen und elektronische Komponenten mit strengen Dichtungsanforderungen relevant sind. Die inhärente Komplexität und Kompaktheit der Leistungselektronik stellt strenge Anforderungen an die Mediendichtheit, wobei der Schwerpunkt auf der Verhinderung des Eindringens und der Ansammlung von Flüssigkeiten durch unvorhergesehene Mikrobrüche entlang von Dichtungsfugen oder anderen Verbindungspositionen liegt. Diese Prozesse sind durch Größenordnungen im Submillimeterbereich, komplexe Geometrien und unterschiedliche feste Substrate gekennzeichnet. In diesem Maßstab spielen die Oberflächenspannungskräfte und die Dynamik der Kontaktlinien eine entscheidende Rolle, was deutlich macht, dass eine genaue Approximation der Grenzflächenkrümmung und eine robuste dynamische Kontaktwinkelmodellierung für zuverlässige Vorhersagen und Analysen unerlässlich sind. Vier rechteckige Mikrokanäle mit zunehmender geometrischer Komplexität- mit drei hydrophilen Wänden und einer hydrophoben Wand- wurden untersucht, um das dynamische Benetzungsverhalten zu untersuchen, mit dem Ziel, die wichtigsten Merkmale der Flüssigkeitsinteraktion in Dichtungsfugen nachzubilden. Diese spezifische Kombination von kontrastierenden Oberflächeneigenschaften führt zu komplexen Benetzungsinteraktionen, die neuartig und besonders schwierig in numerischen Simulationen zu erfassen sind. Fünf dynamische Kontaktwinkelmodelle wurden implementiert und systematisch innerhalb eines numerischen Volume-of-Fluid (VoF)-Rahmens bewertet. Unter ihnen zeigte das Modell der Molekularen Kinetik (MKT) durchweg die beste Übereinstimmung mit experimentellen Daten, was seine überlegene Fähigkeit zur Vorhersage der Kontaktliniendynamik und des Benetzungsverhaltens in heterogenen Mikrokanälen beweist. Um die für die Mediendichtheit relevanten Phänomene der Flüssigkeitsdurchdringung weiter zu untersuchen, wurden vier T-förmige rechteckige Mikrokanäle mit unterschiedlichen Spaltbreiten und Abrundungsradien untersucht. Es wurde festgestellt, dass der Abrundungsradius einen größeren Einfluss auf den Pinning-Effekt hat als die Spaltbreite, was neue Erkenntnisse und umsetzbare Konstruktionsanleitungen für die Verbesserung der Leckagesicherheit in industriellen Komponenten liefert. Die Ergebnisse der ein- und zweiphasigen Strömungssimulationen verdeutlichen jedoch die Herausforderungen bei der genauen Erfassung der mehrphasigen Mikrofluidik in industriellen und geometrisch komplexen Bereichen. Ein wichtiger methodischer Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung zweier neuartiger, automatisierter Bildverarbeitungsmethoden, die auf die Erfassung von Grenzflächenbewegungen und dynamischen Kontaktwinkeln in willkürlich geformten Mikrokanälen zugeschnitten sind. Diese Methoden dienen als unkomplizierte und robuste Ansätze für die Analyse experimenteller Ergebnisse, die den Zeitaufwand für manuelle Schritte erheblich reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse verbessern. Insgesamt trägt diese Dissertation zu einem tieferen Verständnis der Zweiphasenströmungsprozesse in der industriellen Mehrphasenmikrofluidik bei, wobei der Schwerpunkt auf dem Eindringverhalten von Flüssigkeiten liegt. Sie bietet neue experimentelle Einblicke in die Grenzflächendynamik an gekrümmten, rauen und chemisch heterogenen Oberflächen und bewertet gleichzeitig kritisch die Möglichkeiten und Grenzen der aktuellen numerischen Ansätze. Die Ergebnisse bilden eine wichtige Grundlage für vorausschauende, robuste Simulationen in realen Anwendungen, bei denen Oberflächenspannungseffekte und Benetzungsverhalten die Systemleistung bestimmen.