WATER DROPLET BEHAVIOR ON INCLINED DUSTY HYDROPHOBIC SURFACE: DUST CHARACTERISTICS AND DROPLET DYNAMICS

WATER DROPLET BEHAVIOR ON INCLINED DUSTY HYDROPHOBIC SURFACE: DUST CHARACTERISTICS AND DROPLET DYNAMICS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
stamped=Ghassan, PhD dissertation.pdf
Restricted to Repository staff only until 11 May 2021.

Download (14MB)

Arabic Abstract

التغيير المناخي يزيد من حدوث العواصف الرملية التى تؤدي الي تراكم ذرات الغبار على أسطح أجهزة توليد الطاقة المتجددة كالخلايا الشمسية المستقبل الشمسي. ذرات الغبار المتراكمة لها بالغ الأثر في خفض كفاءة الخلايا الشمسية لأنها تقلل من النفاذية الضوئية لهذة الأسطح وأيضا تؤثر على أداء المستقبل الشمسي عن طريق نشر وتشتيت أشعة الشمس الساقطة. هنالك العديد من التقنيات التى تتناسب وإزالة الغبار من الأسطح, هذة الطرق تتضمن: الإزالة بواسطة الغاز والرش بتدفق المياة والطرد الكهربائي والإثارة بالموجات الصوتية والطرق الميكانيكية بالإضافة إلى التنظيف الذاتي عن طريق قطرات الماء. معظم هذة الطرق تتطلب مصدر طاقة خارجي. لذلك تزيد تكلفة التشغيل المستدام لهذة التقنيات من ضخ وضغط وقدرة كهربايئة لتوليد القوة اللازمة لطرد زرات الغبار من الأسطح مراد تنظيفها. وعلية, إحداث فجوات هوائية متناهية الصغر بين زرات الغبار والأسطح المستخدمة يقلل من الطاقة المطلوبة لعملية طرد الغبارمن الأسطح. في هذه الدراسة تم تشكيل سطح ذو بينية هرمية متناهية الصغر يتكون من أجسام شبة كروية وألياف عن طريق تبلور السطح الخارجي وذلك لخفض الطاقة السطحية مما يقلل من قوة الالتصاق بين الغبار والسطح المستخدم. السطح الناتج يملك خصائص كارهة للماء بزاوية تباطؤ عالية والتي تزيد من الإلتصاق وتقلل من الحركة الديناميكية لقطرات الماء على السطح الكارة للماء. للحد منها تم عمل طبقة متناهية في الصغر من زرات السيليكا في أعلى السطح. هذة الطبقة أضفت زاوية إلتصاق عالية تصل إلى ١٥٨ﹾ± ۲ ﹾ واخفضت زاوية التباطؤ الى ۳ﹾ ± ١ﹾ. من الأليات الأساسية لإزلة ذرات الغبار المتراكم هي تلك المرتبطة بخاصية تغطية قطرات المائع لذرات الغبار في السطح الكاره للماء. يزيد معدل تسارع القطرات بزيادة زاوية ميلان الأسطح مما يؤثر بشكل كبير على معدل إزالة ذرات الغبار المتراكم على السطح ويكون اكثر تأثيرا في وجود القطرات ذات الحجم الأكبر. زيادة معدل تسارع القطرات يحسن من كفاءة التنظيف. تغيير قطرة الماء لشكلها الدائري أثناء حركتها يتسبب في تكوين شبه تموجات على مسارها. وبعد فحص المسار عن كثب وجدت جزيئات ضئيلة في الحجم من زرات الغبار ووجد ان كمية كبيرة من ذرات الغبار المتراكم تم تنظيفها عن طريق قطرة الماء. تمت دراسة انتشار قطرات المائع على السطح المتسخ الكاره للماء بالإضافة إلى قابلية توزيع المائع داخل طبقة الغبار وعلاقتة بعملية إزالة الغبارعن طريق دوران وتزحلق القطرات على السطح الكاره للماء.تقوم قطرة الماء المتدحرجة بإلتقاط جزيئات الغبار المتراكم, بعض المركبات الموجودة بالغبار تذوب في هذخ القطرة وتؤدي إلي زيادة قوه الشد السطحي بنسبة 4% مما يؤدي إلى زيادة قوة القطرة بسطح الغبار. تضمنت الدراسة أيضا تأثيرالضغط الهايدروستاتيكي للقطرات وعلاقتة بعملية إزالة الأتربة من الأسطح. تم حساب الطول الفعال للتسريب في طبقة الغبار المتراكم بدمج البيانات التجريبية. وتم إستخدام الات تصوير ذات سرعات عالية والات تصوير حرارية لقياس سرعة التسريب. أوضحت النتائج انتشار المائع على السطح المتسخ الكارة للماء وأخفت زرات الغبار المنتشر على السطح. إنخفض معدل التقاط جزيئات الغبار مع زيادة الزمن و إنخفض معدل زيادة الوزن لذرات الغبار حتى وصل ١٧% من الوزن الأصلي.

English Abstract

Climate change gives rise to frequent dust storms and the settlement of environmental dust particles on the surfaces of energy harvesting devices, such as solar photovoltaic and concentrated troughs. Several methods are tailored removing dust from surfaces and some of these methods include gas assisted removal, water jet spraying, electrostatic repelling, ultrasonic and acoustic excitation, mechanical scrubbing, and water droplet self-cleaning. Most of the cleaning processes adopted require external power sources and the sustainable operation of these processes remains costly because of the required pumping/compression, electric power, and high repelling forces to remove such particles. To reduce the power requirements, introducing micro/nano size air gaps between the dust particles and the selective surface becomes critical. In addition, lowering surface energy of selective surface is also favorable to reduce the dust adhesion on surfaces. The present study aims to investigate the mechanisms of dust particles removal from hydrophobic surfaces by means of rolling water droplets. To achieve surface texture giving rise to Cassie & Baxter wetting state, the solution crystallization of polycarbonate surfaces is realized. The surface texture created composes of hierarchically distributed micro-size spheroids and fibrils, which demonstrates hydrophobic characteristics with high contact angle hysteresis. The surface texture arrangement results in increased water droplet pinning and suppresses the dynamic motion of droplet on the hydrophobic surfaces. To reduce the contact angle hysteresis, the functionalized nanosize silica particles are deposited on the prepared and crystalized surfaces via using the dip coating technique. The resulting surface displays a high droplet contact angle (158° ±2°) and low contact angle hysteresis (3° ±1°). One of the main mechanisms for the dust particles removal from a hydrophobic surface, by rolling liquid droplet, is associated with the droplet fluid cloaking of the dust particles during its transition on the surface. Hence, the study is extended to include the influence of droplet hydrostatic pressure on the fluid infusion (cloaking) into dust layer, which enables to further explore the dust removal mechanisms. The effective length of infusion height in the dust layer is estimated incorporating the experimental data. High speed and thermal cameras are used to monitor the infusion front velocity in the dust layer. The findings reveal that droplet fluid (water) spreads onto the dusty hydrophobic surface and cloaks the dust particles. In addition, sperading of a droplet liquid on a dusty hydrophobic surface is also considered and the fluid infusion into the dust layer is investigated in relation to dust removal from the hydrophobic surfaces via rolling/sliding droplets. It is shown that the Cloaking velocity decays sharply with time and the weight gain of the dust particles is about 17% of the original dust weight after cloaking. The droplet acceleration, due to increased surface inclination angle, has an effect on the rate of dust particles removed from the surface, which is more apparent for the large droplet volumes. Increasing droplet acceleration improves the coverage area of the clean surface. The droplet puddling causes striations like structures along the droplet path and close examination of the few residues of the dust particles reveals that the droplet picks up considerably large amount of dust from the surfaces. As the rolling droplet picks up dust, some dust compounds (alkaline metal compounds) dissolve in the droplet fluid while enhancing the surface tension by almost 4%. This increases the droplet pinning (adhesion) on the dusty surface.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Engineering
Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Yilbas, Biker
Committee Members: Said, Syed and Alsulaiman, Fahad and Al-Aqeeli, Nasser and Khaled, Mazen
Depositing User: GHASSAN ABDELMAGID (g201402800)
Date Deposited: 03 Jun 2020 15:33
Last Modified: 03 Jun 2020 15:33
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141536