Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4081
Hartmann, Miks
Phasenfeld-Untersuchungen zur Hydrodynamik partieller Benetzung
IV, 184 S., 2003

In dieser Arbeit wird ein numerisches Verfahren zur Berechnung von hydrodynamischen Vorgängen in Systemen mit freien Oberflächen und komplizierten Geometrien vorgestellt. Es basiert auf der Kopplung der Navier-Stokes-Gleichungen mit einem neuartigen Projektions-Phasenfeldansatz,wobei durch die Entkopplung der Phasenfeldparameter die Beschreibung von frei beweglichen Grenzflächen mit einstellbarer Oberflächenspannung ermöglicht wird. Als Anwendung wurden die dynamischen Strukturbildungsvorgänge bei der Entnetzung einer partiell-benetzten Oberfläche untersucht. Für niedrige Reynolds- Zahlen konnte die Äquivalenz des Entnetzungsvorganges zu einem diffusiv beschriebenen Wachstum der Entnetzungsfront nachgewiesen werden. Bei großen Reynoldszahlen kommt es auf der Oberfläche des nassen Bereichs zur Ausbildung von Oberflächenwellen, die "gravitationsartigen" Charakter mit der Substrat-Wechselwirkung als effektivem Gravitationsfeld haben. Durch dreidimensionale Simulationen konnte gezeigt werden,dass die Entnetzungsfront einer "Mullins-Sekerka"-artigen Frontinstabilität unterliegt. Eine durch laterale Dimensionierung stabilisierte Front zeigt typischerweise eine oszillatorische Ausdämpfung der Störung durch kapillarwellenartige Front-Schwingungen. Eine analytische Untersuchung des Stabilitätsverhaltens unter diffusivem und konvektivem Transport zeigt, dass sich die Instabilität der Front teilweise durch additive stabilisierende Terme hydrodynamischen Ursprungs ausdämpfen lässt. Durch Simulationen des Entnetzungsvorgangs im Kanal konnte zusätzlich gezeigt werden, dass die partielle Entnetzung im Kanal zu analogen Entnetzungsstrukturen und Selektionskriterien wie ein rein diffusives Front-Wachstum führt.

This work presents a new technique to simulate hydrodynamic systems with free surfaces in complex geometries. It is based on a new type of projective phasefield model coupled to a conventional type of Navier-Stokes equation. The decoupling of the phasefield-parameters hereby allows a free choice of the surface tension. The model is applied to simulate dynamical pattern formation of a partial wetted surface. These simulations show that in the case of small Reynolds numbers hydrodynamic dewetting can be accurately described by a purely diffusive growth. Higher Reynolds numbers lead to surface ripples of gravity- type, whereby the interaction with the substrate acts as an effective gravitational field. Extensions to three-dimensional simulations reveal an intrinsic dewetting front instability of Mullins-Sekerka-type. Laterally stabilized perturbances typically show an oscillatory damping of capillary type. An analytic treatment of the instability, considering diffusive as well as convective transport, shows that in some cases the instability can be damped out by stabilizing terms of hydrodynamic origin. Additional simulations addressing dewetting inside a channel show that dewetting-patterns and selection-criteria correspond to the equivalent concepts in a two-dimensional purely diffusive description of the front growth.

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Letzte Änderung: 07.06.2022