3-D simulation of droplet impact on static and moving walls

Abstract

In the present study, the contact angle model and origin of the parasitic current have been studied to provide accurate prediction of droplet surface interactions in Volume of Fluid (VOF) framework. We investigate the effect of "modelled" dynamic contact angle boundary conditions to 3D droplet spread&deposition size and the parasitic currents relation with grid distribution. According the simulation experience, Open- FOAM's static and classical dynamic contact angle calculations are insufficient to provide accurate droplet spread and deposition ratio. In fact, it was shown that the classical Kistler dynamic contact angle model did not perform well in low capillary numbers and in cases where the difference in advancing and receding angles was high. It has been possible to reduce the unphysical flow problem seen in the interface region in multiphase simulations with structural changes. It has been quantitatively shown that the number of neighboring cells sharing the same Faces influences the gradient calculations associated with the formation of parasitic current. I has been observed that the polyhedral cell structure delivers smoother the interface gradient distribution than the cartesian cell structure. After implementing, modified Kistler contact angle model in OpenFoam and using polyhedral cells for the simulations, we could succesfully validate transient droplet shapes formed upon impact with those obtained from experiments. Droplet outcomes, such as deposition, partial rebound and split deposition on stationary and moving smooth surfaces are obtained consistent with experimental results.

Bu çalısmada, damlacık-yüzey etkilesimlerinin VOF method çalısma düzleminde analizinin yapılabilmesi için kontak açısı modeli ve parazitik akımların kaynagı üzerine çalısmalar yapılmıstır. Modellenmis dinamik kontak açısı sınır kosulunun 3 boyutlu damlacık yayılma ve toparlanma boyutlarına ve grid dagılımının parazitik akımlar üzerine etkisi incelenmistir. Daha önceki simülasyon deneyimlerimize göre, Open-FOAM'un statik ve klasik dinamik kontak açısı modelleri, damlanın yayılma ve toparlanma çaplarının oranın hesaplanması noktasında yetersiz kaldıgı görülmüstür. Aslında Kistler dinamik kontak açısı modeli de düsük damlacık hızlarında ve yayılma ve toparlanma açılarının farkının yüksek oldugu durumlarda iyi performans göstermedigi bu çalısmada gösterilmistir. Çok fazlı akıs simulasyonlarında yapısal degisikliklerle arayüz üzerindeki fiziksel olmayan akıs durumları engellenebilmektedir. Merkezi hacmin komsu kenar sayısı ve hacmin seklinin parazitik akımların formunu etkiledigi modellenerek gösterilmistir. Bu modellemelerden, polyhedral hücre yapısının kartezyen hücre yapısına sahip simulasyonlara karsı arayüz gradient hesaplamalarında daha iyi dagılım gösterdigi anlasılmıstır. Polyhderal mesh tipinin uygulanması ve Kistler kontak açısı modelinin modifiye edilmesinden sonra OpenFoam ile yapılan simulasyonların deneysel sonuçlar ile eslesmesi basarı ile gerçeklesmistir . Burada damla simülasyonlarının sonuçlarını (deposition, partial rebound and split deposition) hareketli ve duragan pürüzsüz yüzeylerdeki deneysel sonuçlar ile eslestirmesini gösterdik.