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  • COMPORTAMENTO TRMICO E DINMICO DE GOTAS

    INCIDENTES EM SUPERFCIES MICRO-ESTRUTURADAS

    Tiago Miguel Serras Bica

    Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

    Engenharia Mecnica

    Jri

    Presidente: Doutor Mrio Manuel Gonalves da Costa Orientador: Doutor Antnio Lus Nobre Moreira Co-Orientador: Doutora Ana Sofia Oliveira Henriques Moita Vogal: Doutor Pedro Jorge Martins Coelho

    Outubro de 2011

  • I

    Resumo

    O impacto de gotas em superfcies est presente em diversas aplicaes, tais como a

    injeco de sprays de combustvel em motores de combusto interna, sistemas de extino de

    incndios, impresso a jacto de tinta, na medicina e tambm em sistemas de arrefecimento.

    Efectivamente, o desempenho dos sistemas de arrefecimento baseados no impacto de sprays, tem

    ganho importncia crescente nos ltimos anos, nomeadamente em aplicaes de refrigerao para

    componentes electrnicos. Vrios investigadores sugerem como estratgia para melhorar o contacto

    entre as gotas de spray e as superfcies, alterar a topografia das superfcies. Neste contexto, o

    objectivo fundamental deste projecto consiste em identificar os parmetros topogrficos fundamentais

    que se devem ter em conta no desenho/projecto de superfcies estruturadas para aumentar o

    performance de arrefecimento. Para isso estudou-se em detalhe o comportamento trmico e dinmico

    de gotas individuais, incidentes em inmeras superfcies micro-estruturadas, com caractersticas

    topogrficas distintas e bem definidas. As superfcies so aquecidas dentro de uma vasta gama de

    temperaturas, por forma a permitir a ocorrncia de ebulio da gota e retirar partido da parcela de

    calor latente de vaporizao, para arrefecer as superfcies.

    De entre os fenmenos possveis de ocorrer no impacto de uma gota sobre uma superfcie

    aquecida, dada particular ateno ao fenmeno de deformao, durante o qual a gota permanece

    em contacto com a superfcie arrefecendo-a, e ao fenmeno de desintegrao da gota incidente em

    diversas gotas mais pequenas, que so ejectadas para fora da superfcie durante a ebulio da gota

    (atomizao secundria trmicamente induzida), no contribuindo por isso para a remoo de calor.

    O comportamento dinmico das gotas incidentes estudado experimentalmente utilizando

    tcnicas de visualizao de escoamentos, associadas a medies por interferometria laser, enquanto

    que o comportamento trmico caracterizado a partir dos fluxos de calor entre a superfcie e a gota,

    obtidos a partir de medies da temperatura instantnea na superfcie.

    Palavras-chave Impacto de gotas, superfcies micro-estruturadas, atomizao secundria, topografia e molhabilidade.

  • II

    Abstract

    The impact of droplets on surfaces is present in various situations, such as the injection of fuel

    sprays in internal combustion engines, fire extinguishing systems, ink jet, medicine and cooling

    systems. Indeed, the performance of cooling systems based on spray/droplet impingement became a

    topic of interest within the last decade, for instance in the cooling of electronic components. Several

    researchers argue that the performance of these systems can be improved by altering the topography

    of the surfaces. In this context, the objective of this project is to identify the basic topographical

    parameters which should be taken into account in the design of micro-structured surfaces to increase

    the cooling performance. In line with this, the present work addresses the detailed study of the

    hydrodynamic and of the thermal behavior of individual droplets impacting onto numerous micro-

    textured surfaces, with well defined topographical characteristics. The surfaces are heated within a

    wide range of temperatures, to allow the boiling of the impacting droplets, to take advantage of the

    additional parcel of the latent heat of vaporization to cool the surfaces.

    Among the phenomena which can occur during the impact of a drop on a heated surface,

    particular emphasis is put on droplet deformation, for which the liquid remains in contact with the

    heated surface, cooling it and on the disintegration of the impacting droplet into several smaller

    droplets (the so called thermal induced secondary atomization), which are ejected away from the

    surface during the boiling of the liquid, thus not contributing to its cooling.

    The dynamics of the impacting droplets is studied combining techniques of flow visualization

    with phase Doppler measurements. The thermal behavior is characterized based on the heat flux

    between the droplet and the impacted surface calculated from instantaneous measurements of

    temperature at the liquid-solid interface.

    Key-words

    Droplet impact, micro-structured surfaces, secondary atomization, topography and wettability.

  • III

    Agradecimentos

    Ao Professor Antnio Moreira e em particular Ana Moita, agradeo toda a disponibilidade, apoio,

    conselhos e orientao prestados durante a realizao deste trabalho.

    Agradeo ao Joo Delgado, Andr Correia, Miguel Pano e Matteo Tata, todo o apoio durante o

    trabalho, contribuindo de forma significativa para a realizao do mesmo.

    Agradeo tambm Doutora Ana Serro, do Centro Estrutural de Qumica do Instituto Superior

    Tcnico por providenciar as instalaes para efectuar as medies relativas aos ngulos de contacto.

    Agradeo ainda aos restantes colegas de laboratrio que de alguma forma tambm contriburam para

    a realizao deste trabalho, criando um bom ambiente de trabalho, nomeadamente ao Stefan Sauer,

    Jos Guerreiro, Vnia Silvrio e Emanuel Teodori.

    Agradeo ao Sr. Norberto e ao restante pessoal das oficinas das reas Cientificas de Energia e

    Termofluidos e Ambiente e Energia do Departamento de Engenharia Mecnica, pela construo de

    equipamento utilizado nos ensaios.

    A todos os meus amigos e colegas de faculdade por todo o apoio dado ao longo destes ltimos cinco

    anos na minha vida acadmica, pois sem eles tudo teria sido muito mais difcil.

    Aos meus pais, um agradecimento muito particular, pela compreenso, pacincia, disponibilidade

    para ajudar e incentivo que sempre demonstraram.

  • IV

    ndice

    Resumo ............................................................................................................................................. I

    Abstract .............................................................................................................................................II

    Agradecimentos ...............................................................................................................................III

    ndice ............................................................................................................................................... IV

    Lista de tabelas ............................................................................................................................... VI

    Lista de figuras .............................................................................................................................. VII

    Nomenclatura ................................................................................................................................... X

    Captulo 1 - Enquadramento da Tese ...............................................................................................1

    1.1 Introduo ..............................................................................................................................1

    1.2 Contexto e motivao .............................................................................................................1

    1.3 Objectivos ..............................................................................................................................8

    1.4 Estrutura da Tese ...................................................................................................................9

    Captulo 2 - Interaco Gota-Superfcie ......................................................................................... 10

    2.1 Introduo ............................................................................................................................ 10

    2.1 Molhabilidade ....................................................................................................................... 10

    2.1.1 Definio e conceitos bsicos ........................................................................................ 10

    2.1.2 Relao entre molhabilidade e topografia da superfcie.................................................. 11

    2.2 Impacto de gotas em superfcies secas ................................................................................ 13

    2.2.1 Regimes de impacto ...................................................................................................... 13

    2.2.2 Fenmeno de espalhamento.......................................................................................... 15

    2.2.3 Definio dos regimes de transferncia de calor e efeito da temperatura da superfcie... 16

    Captulo 3 - Procedimento experimental........................................................................................ 22

    3.1 Introduo ............................................................................................................................ 22

    3.2 Descrio da instalao........................................................................................................ 22

    3.3 Caracterizao das superfcie