Süperhidrofobik yüzeylerde makro kanalların sürükleme kuvveti üzerindeki etkisi
Effect of macrochannels on drag force for superhydrophobic surfaces
Yazar: RECEP KARAASLAN
Danışman: PROF. DR. HASAN KARABAY
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Son yıllarda, doğadan esinlenerek oluşturulan süperhidrofobik yüzeylerin potansiyel yeniliklerini keşfetmek amacıyla birçok çalışma yapılmaktadır. Bu çalışmalar arasında, kir tutmayan yüzeylerden deniz araçlarının sürükleme kuvvetini azaltmaya kadar çeşitli Ar-Ge faaliyetleri bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, süperhidrofobik kaplamanın sürükleme kuvveti üzerindeki etkisi, düşük Reynolds sayılı akış koşullarında, yani viskoz kuvvetlerin dominant olduğu durumlarda deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaçla, döndürülmüş NACA 0012 profiline sahip bir numune tasarlanmıştır. Numune üzerinde, akışa göre farklı yön ve mesafelere sahip makro (milimetre ölçeğinde) kanallar oluşturulmuştur. Numune üzerine kanallar açıldıktan sonra süperhidrofobik bir boya ile kaplanmıştır. Kaplı numuneler, gliserin dolu dikey bir tank içerisinde serbest düşüş hareketi gerçekleştirilerek gözlemlenmiştir. Bu gözlemler, numunenin serbest düşüş hareketi sırasında alınan video kaydıyla sayısallaştırılmıştır. Deneylerde, numunelerin serbest düşüşü başlangıç hızı olmadan gerçekleştirilmiştir. Numuneler serbest düşüş sırasında limite ulaşmış ve bu hızlar referans alınmıştır. Numunenin ağırlığı değiştirilerek farklı limit hızları elde edilmiştir. Bu hızlar 0.015 m/s ile 1.21 m/s aralığında değişmiştir. Bu hızlara karşılık gelen Reynolds sayısı ise 0.5 ile 8 arasında olmuştur. Ayrıca, süperhidrofobik deney numunesi üzerinde makro kanallar oluşturularak ve hibrit bir yüzey elde edilerek, bu durumun sürükleme katsayısına etkisi incelenmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlar, süperhidrofobik yüzeylerle birlikte makro kanalların sürükleme kuvvetini %26 oranında azalttığını göstermektedir. Ancak, hibrit yüzeylerin olduğu akışlarda, oluşturulan hidrofilik şeritlerin akışa dik yönde olması sürükleme katsayısını olumsuz etkileyerek sürükleme azaltma değerini düşürmektedir. Sonuç olarak, makro kanallar ile desteklenmiş süperhidrofobik yüzeyler, farklı endüstriyel uygulamalarda sürükleme kuvvetini azaltmak için potansiyel sunmaktadır ancak sürükleme kuvvetinin iyileştirilmesinin uygulama özelinde değerlendirilmesi gerektiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In recent years, numerous studies have been conducted to explore the potential innovations that can be achieved through superhydrophobic surfaces inspired by nature. These studies encompass a wide range of R&D activities, from creating self-cleaning surfaces to reducing drag forces in marine vehicles. In this thesis, the impact of superhydrophobic coating on drag force is experimentally investigated under low Reynolds number flow conditions, where viscous forces dominate over inertial forces. To this purpose, a specimen with a rotated NACA 0012 profile is designed. Macro-scale channels, varying in direction and distance relative to the flow, are created on the specimen. After the channels are formed, the specimen is coated with a superhydrophobic paint. Coated specimens are then observed during free-fall motion in a vertical tank filled with glycerin. These observations are digitized using video processing techniques. In the experiments, the free-fall motion of the specimens are conducted without an initial velocity. The specimens reach a limiting velocity during free fall, which is taken as the reference velocity. By increasing the weight of the sample, different limiting velocities are obtained. These velocities range from 0.015 m/s to 1.21 m/s, corresponding to Reynolds numbers between 0.5 and 8. Additionally, the effect of creating macro channels and achieving a hybrid surface by combining them with the superhydrophobic specimen is examined in terms of drag coefficient. The experimental results indicate that superhydrophobic surfaces along with macro channels reduce drag force by 26%. However, in flows involving hybrid surfaces, where hydrophilic stripes are aligned perpendicular to the flow, the drag coefficient is adversely affected, resulting in a decrease in drag reduction. Consequently, it is concluded that the improvement of drag force needs to be evaluated in the context of specific applications.