Viskoz sürüklenme direncinin azaltılmasında yapılandırılmış süper ıslanmaz hibrit yüzeylerin etkisinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation on superhydrophobic structured hybrid surfaces for viscous drag reduction
Yazar: MURAT VONAL
Danışman: PROF. DR. HASAN KARABAY
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik ve Isı Tekniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, sıvı içinde hareket eden torpido şekilli numune yüzeylerine farklı yönlerde milimetrik kanal açarak ve süper ıslanmaz yüzey kaplaması uygulayarak viskoz sürüklenme direncinin azaltılması hedeflenmiştir. Bu hedef doğrultusunda 3D yazıcı kullanılarak yüzeyleri kanalsız, akışa dik milimetrik ve akışa paralel milimetrik kanallı numuneler üretilmiştir. Üretilen numune yüzeyleri ıslanır, süper ıslanmaz ve ıslanır-süper ıslanmaz yüzey yapılarının birlikte kullanıldığı hibrit yapıda olacak şekilde kaplanarak 10 farklı numune elde edilmiştir. Numunelerin sürüklenme performansları, gliserin havuzuna ilk hızsız olarak daldırılıp serbest düşme hareketleri sırasında ulaştıkları limit hızların görüntü işleme yöntemleriyle ölçülmesiyle deneysel olarak belirlenmiştir. Deney şartlarında Reynolds sayısı 0,5 - 8,0 aralığında, Kılcallık sayısı ise 0,4 - 6,0 aralığında değişmiştir. Islanır yüzeyli numunelerde kanallardan kaynaklanan milimetrik boyutlu pürüzlerin sürüklenme direncini etkilemediği görülmüştür. Süper ıslanmaz ve hibrit yüzeyli numunelerde sürüklenme azaltma performansı Reynolds sayısı 0,5 iken maksimuma ulaşmış artan Reynolds sayılarıyla ise azalarak etkisini yitirmiştir. Kılcallık sayısının 1 değerine karşılık gelen Reynolds sayısının 1,4 değerinin sürüklenme azaltma performansı açısından kritik bir değer olduğu, bu değer aşıldığında yüzey gerilme kuvvetlerine galip gelen viskoz kuvvetlerin hava katmanını yüzeyden uzaklaştırdığı görülmüştür. Reynolds sayısı 0,5 iken süper ıslanmaz yüzeyli numuneler arasındaki en yüksek sürüklenme azaltma performansı %26,39 ile akışa paralel kanallı numunede, en düşük sürüklenme azaltma performansı ise %14,9 ile kanalsız ve akışa dik kanallı numunelerde elde edilmiştir. Hibrit yüzeyli numunelerde ıslanır-ıslanmaz yüzey sınırında oluşan güçlü yüzey enerji bariyeri, akışa paralel kanallı numunenin %45,62 ile en etkili sürüklenme azaltma performansı göstermesini sağlarken kanalsız hibrit numunenin ise üzerindeki akışı bozarak %8,93 ile en düşük sürüklenme azaltma performansı göstermesini sağlamıştır.

Abstract:
In this thesis study, the aim was to reduce viscous drag resistance by creating millimetric scale grooves in different directions and applying superhydrophobic surface coatings to torpedo-shaped samples moving in a fluid. For this purpose, samples with unpatterned surfaces, millimetric-scale longitudinally grooved surfaces, and millimeter-scale transversely grooved surfaces were produced using a 3D printer. The produced sample surfaces were coated to achieve 10 different samples with hydrophilic, superhydrophobic, and hybrid structures where hydrophilic-superhydrophobic surfaces were used together. The drag performance of the samples was experimentally determined by immersing them into a glycerin pool without initial velocity and measuring the terminal velocities reached during free-fall motion using image processing techniques. Under experimental conditions, the Reynolds number ranged from 0.5 to 8.0, while the Capillary number ranged from 0.4 to 6.0. It was observed that the millimetric-sized roughness caused by the grooves did not affect the drag resistance in samples with hydrophilic surfaces. In samples with superhydrophobic and hybrid surfaces, the drag reduction performance reached its maximum when the Reynolds number was 0.5, but it decreased and lost its effect with increasing Reynolds numbers. It was found that the Reynolds number of 1.4, corresponding to a Capillary number of 1, is a critical value for drag reduction performance; when this value is exceeded, viscous forces that overcome surface tension forces displace the air layer from the surface. At a Reynolds number of 0.5, the highest drag reduction performance among the superhydrophobic surface samples was 26.39%, observed in the sample with grooves longitudinal to the flow, while the lowest drag reduction performance, at 14.9%, was found in the unpatterned sample and sample with grooves transverse to the flow. In hybrid surface samples, the strong surface energy barrier formed at the hydrophilic-superhydrophobic surface boundary enabled the sample with grooves longitudinal to the flow to achieve the most effective drag reduction performance of 45.62%, while disrupting the flow over the unpatterned hybrid sample, resulting in the lowest drag reduction performance of 8.93%.