عنوان

روش لتیس بولتزمن برای مدلسازی و شبیه‌سازی پدیده الکترووتینگ

Number

‭۷۸۳۴پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

روش لتیس بولتزمن برای مدلسازی و شبیه‌سازی پدیده الکترووتینگ

First Statement of Responsibility

/موسی محمدپورفرد

Name of Publisher, Distributor, etc.

: فنی و مهندسی مکانیک

Name of Manufacturer

، قلی زاده

Specific Material Designation and Extent of Item

‮‭۱۳۳‬ص‬

Text of Note

چاپی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

مکانیک-تبدیل انرژی

Date of degree

‮‭۱۳۸۸/۰۸/۲۵‬

Body granting the degree

تبریز

Text of Note

وقتی یک سطح مشترک بین دو ماده ناهمسان ایجاد می‌صشود، یک انرژی خاصی که متناسب با تعداد مولکول‌صهای حاضر در سطح مشترک است بوجود می‌صآید .این انرژی، انرژی بین سطحی یا تنش سطحی نامیده می‌صشود .با توجه به این نکته که در پدیده‌صهای تر شدن بطور مشخص یک مایع، یک جامد و یک محیط گازی وجود دارد، پس سه نوع تنش سطحی وجود خواهد داشت :مایع- گاز، گاز- جامد و مایع- جامد .هنگامیکه قطرات با یک سطح جامد تماس داشته باشند، سطح مشترک مایع- گاز بصورت یک کلاهک کروی حفظ می‌صشود که در انتهای آن قطره مایع با یک زاویه‌صی به سطح جامد متصل می‌صگردد .این زاویه، زاویه تماس یا زاویه یانگ نامیده می‌صشود .اگر در سطحی که قطره بر روی آن واقع شده است، یک الکترود جاسازی شود، با اعمال پتانسیل الکتریکی) درست در نزدیکی سطح جامد (لایه الکتریکی مضاعف در داخل قطره تشکیل می‌صشود، که منجر به کاهش انرژی سطح مشترک مایع- جامد می‌صگردد .از معادله یانگ این کاهش در انرژی سطح مشترک سبب کاهش در زاویه تماس تعادلی بین مایع و جامد می‌صشود و سبب می‌صشود که قطره بیشتر سطح را تر کند .امروزه این پدیده به عنوان پدیده الکترووتینگ شناخته می‌صشود که در کاربردهای پیشرفته‌صی در زمینه سیستم‌صهای میکرو و نانو وارد شده است .برای نمونه می‌صتوان به استفاده از آن برای انتق‍ـال، اختلاط و توزیع میک‍ــروسیال‌صها، دست‍ـگاه‌صهای آزمایش‍ـگاه‍ـی م‍ـورد استفاده برای انجام تست بر روی نمونه‌صهای بیولوژیکی و میکروپمپ‌صها اشاره کرد .در ادبیات فن، بررسی‌صهای عددی که در آنها عملکردهای پدیده الکترووتینگ بطور جامع مورد مطالعه قرار گرفته باشند، اندک است و در این میان کارهایی که در آنها این پدیده به شکل سه بعدی آن مورد بررسی قرار گرفته باشد، بسیار کمتر .نکته‌صی که باید به آن اشاره کرد اینست که در تمامی بررسی‌صهای عددی موجود هم اولا مدلسازی‌صهای انجام شده قادر به شبیه‌صسازی تمامی عملکردهای مطرح در پدیده الکترووتینگ) یعنی پخش، حرکت، تقسیم و ترکیب (نمی‌صباشند .ثانیا روش‌صهای مورد استفاده برای شبیه سازی دارای ماهیت ماکروسکوپیک می‌صباشند) روش‌صهای چون روش تنظیم سطح ، روش شبه استاتیک و یا حجم سیال(.، لذا قادر به اعمال سهم برهمکنش‌صها در سطح مولکولی نمی‌صباشند .ثالثا اکثر کارهای موجود به شکل دو بعدی انجام شده است .هدف اصلی از انجام این رساله توسعه روش لتیس بولتزمن به منظور مطالعه سه بعدی عملکردهای پدیده الکترووتینگ بود .در این راستا ابتدا با استفاده از بسط چاپمن- انسکوگ معادلات پیوستگی و ناویر- استوکس از معادله لتیس بولتزمن برای روش مدل انرژی آزاد به شکل سه بعدی با شبکه‌صهای مکعبی و حالت اختلاف محدود آن استخراج شدند و نشان داده شده است که عبارت خطای ناشی از این استخراج تابعی از مربع عدد ماخ می‌صباشد .با توجه به اینکه در سیستم‌صهای میکروسیال عدد ماخ کاملا کوچک است، قابل پیش‌صبینی است که این روش برای مطالعه این سیستم‌صها روش مناسبی باشد .با توجه به اینکه روش مورد استفاده، یک روش انرژی محور است) یعنی انرژی آزاد محور (سهم تمامی عناصر موثر در مسئله به شکل انرژی آزاد مدلسازی و تاثیر آن بر روی انرژی آزاد کل سیستم محاسبه شده است .با استفاده از روش حساب تغییرات و کمینه‌صسازی معادله بدست امده برای انرژی آزاد کل سیستم، روابط جدیدی برای تنش‌صهای سطحی موجود در سیستم در حضور میدان بیان و با استفاده از معادله یونگ این تغییرات در تنش‌صهای سطحی به زاویه تماس ارتباط داده شد .قبل از انجام شبیه‌صسازی‌صها، با توجه به اینکه در مدل ارائه شده فرض بر خطی بودن تغییرات پتانسیل الکتریکی در داخل قطره با اندازه میکرو شده است، در ابتدا به منظور یافتن دامنه‌صصای که درآن این فرض صادق باشد اقدام به حل عددی معادله پواسون- بولتزمن) حل این معادله منجر به مشخص شدن توزیع پتانسیل الکتریکی در دامنه مورد نظر می‌صشود (.بصورت دو بعدی در داخل قطرات با اندازه‌صهای نانو و میکرو) صرفنظر از امکان وجود این قطرات با اندازه‌صهای مورد بررسی (پرداخته شد .با توجه به نتایج بدست آمده مشخص گردید که برای قطرات در اندازه میکرو توزیع پتانسیل الکتریکی در داخل قطرات همواره به شکل خطی می‌صباشد .با استناد بر نتایج این بررسی از حل تحلیلی موجود برای معادله پواسون- بولتزمن یک بعدی، جهت تعیین پتانسیل الکتریکی در داخل قطره و استفاده از مقدار آن در معادلات ارائه شده) یعنی معادلات مورد نیاز برای محاسبه تنش‌صهای سطحی (بهره گرفته شد .به منظور انجام شبیه‌صسازی‌صها، برنامه کامپیوتری با استفاده از زبان برنامه نویسی‮‭++ C‬ تحت سیستم عامل لینوکس ‮‭(Linux openSUSE)‬ با در نظرگرفتن معادلات روش لتیس بولتزمن مدل انرژی آزاد و شرایط مرزی لازم، نوشته شده است .به کمک این برنامه اقدام به شبیه‌صسازی عملکردهای مطرح در پدیده الکترووتینگ) یعنی پخش، حرکت، تقسیم و ترکیب (شد که در هر قسمت نتایج بدست آمده با نتایج تحلیلی و تجربی موجود مقایسه شده است .در آخرین مرحله یکی از جنبه‌صهای تازه پدیده الکترووتینگ ارائه و بررسی شده است یعنی تاثیر میدان الکتریکی بر روی تبخیرهای احتمالی در سیستم .با در نظر گرفتن این تاثیر، ترکیب قطرات با استفاده از مکانیزم تبخیر در حضور میدان الکتریکی پیشنهاد شده است .مهمترین نوآوری انجام شده، مبنا قرار گرفتن روابط ترمودینامیکی بجای استفاده از روابط جریان و همچنین تغییر متغیرها از حالت هندسی به متغیرهایی چون چگالی و پتانسیل الکتریکی برای شبیه‌صسازی عملکردهای اشاره شده می‌صباشد .با توجه به نتایج بدست آمده و تطابق خیلی خوب نتایج با نتایج موجود در ادبیات فن، می توان نتیجه گرفت که روش لتیس بولتزمن می‌صتواند یک روش قدرتمند برای مطالعه سه بعدی پدیده الکترووتینگ باشد

Text of Note

programming language in Linux openSuse system. It is necessary to mention that we have also used thermodynamic relations instead of flow relations and also changed our variables from geometrical to variables such as density and electric potential which is the important advantage of this work. The results have been compared to analytical and experimental ones and there are good agreements between them ++Boltzmann equation, we have proven that potential distribution inside a micro droplet can be always considered as one dimensional. In continuation, all operations of electrowetting have been simulated as three dimensional. In continuation, we have introduced a new aspect of electrowetting effects, which is the electrowetting effect on the droplet evaporation. To do simulations in the present thesis, we have used C-Stocks equations are determined and then by solving Poisson-set method, and VOF method, therefore they are not able to consider the molecular interactions, third most of investigations are two dimensional. Since the lattice Boltzmann method is suitable to study of Micro and Nano systems, implementation of this method to study of electrowetting phenomenon was the goal of the present thesis. Considering this issue, it was attempted to present a model which can be combined with the lattice Boltzmann method. In this thesis, first the error terms of free energy model of lattice Boltzmann method in the derivation of Navier-static method, level-Mechanical Systems (MEMS). This issue has an important role in the behavior of liquid layers such as spreading, film instability, adhesion, and subsequent spreading of biological cells. In the literature, there are a few three dimensional investigations of droplet base electrowetting. It should be mentioned that in all investigation: first, the presented models were not able to study all operations of electrowetting (i.e., spreading, motion, splitting, and merging), second the used method have macroscopic intrinsic such as quasi-Electro-solid interface. In accordance with the Youngs equation, this reduction in surface energy leads to a decrease in the equilibrium contact angle between the liquid and the solid, causing the drop to further wet the surface. This phenomenon is called electrowetting and has seen resurgence in modern applications in the area of Micro-ions on the liquid side of the interface on the other. This leads to reduction in the surface energy of the liquid-liquid interface consisting of charges on the metal surface on the one hand and a cloud of oppositely charged counter-layer builds up spontaneously at the solid-gas interface maintains a spherical cap profile and the angle at which the liquid drop joins the solid substrate is called the Young contact angle. If the surface upon which the drop is supported has an embedded electrode, then upon applying a voltage to the electrode, an electric double-solid surface tensions. When liquid drops are in contact with a solid substrate, the liquid-solid, and the liquid-gas, the gas-called interfacial energy, which is proportional to the surface area of the interface and the constant of proportionality is called the surface tension. As a result liquid drops are spherical when they are in air, to minimize the surface energy. Since there are typically a liquid, a solid, and a surrounding gas interacting in wetting phenomena, one can consider three types of surface tensions: the liquid-When there is an interface between two materials, there is a specific energy, the so

محمدپورفرد، موسی

امین‌فر، حبیب، استاد راهنما

طلعتی، فرامرز، استاد مشاور

وارنیک، فتح‌ا ...، استاد مشاور

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی