Sessile Droplet Evaporation on Membrane with Air Flow. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Masters Thesis Report) Mohammed Faisal Masters Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 28 December 2026. Available under License Creative Commons GNU GPL (Software). Download (2MB)

Arabic Abstract

تقدّم هذه الرسالة دراسة تجريبية وإحصائية لعملية تبخر القطرة الجالسة على غشاء مسامي محبّ للماء، تحت تأثير تدفّق هواء مضبوط من أسفل السطح. وتبحث الدراسة تأثير معدل تدفّق الهواء (1–3 قدم³/دقيقة)، ودرجة حرارة الهواء (23–43 °م)، والملوحة (0.5–5 مول/لتر من NaCl) على تطوّر حجم القطرة، وقطر التلامس، وزاوية التلامس، والوقت الكلي للتبخر. تم تصميم نظام بصري عالي الدقة لقياس زاوية التلامس لالتقاط التطور الزمني لشكل القطرة، بينما جرى تحليل ديناميكية التبخر باستخدام برنامجي ImageJ و OpenDrop-ML. أظهرت النتائج أن القطرة تتبخر في معظم مدة بقائها (حوالي 80%) وفق نمط نصف القطر الثابت (CCR)، مع انتقالها في المراحل الأخيرة إلى أنماط مختلطة أو ثابتة الزاوية (CCA). وقد تبين أن زيادة تدفّق الهواء ودرجة الحرارة تسرّع التبخر بشكل كبير — بما يصل إلى 81% — نتيجة تعزيز انتقال الكتلة الحراري والحَرَكي، في حين أن زيادة الملوحة تُبطئ التبخر عبر خفض ضغط البخار وتحفيز دوران مارانغوني الناتج عن التدرجات التركيزية. كما أُجري تحليل إحصائي باستخدام تصميم تجارب عاملية 2³ (ANOVA/الانحدار)، والذي بيّن أن درجة الحرارة (49%) وتدفّق الهواء (28%) هما العاملان الأكثر تأثيراً، في حين ساهمت الملوحة بحوالي 14% من إجمالي التباين. وحقق النموذج دقة تنبؤية ممتازة (0.984 = R²، p < 0.001)، مع تحقق افتراضات التجانس والتوزيع الطبيعي للبواقي. وأظهرت نتائج تحليل معدل الفقد الكتلي أن النقل بالحمل الحراري يشكّل ما يصل إلى 78% من إجمالي معدل التبخر عند ارتفاع التدفّق ودرجة الحرارة، بينما يظل الانتشار هو المسيطر في الحالات الساكنة أو مرتفعة الملوحة. كما أظهرت صور الترسيب النهائي للملح أنماطاً مختلفة من التبلور — حلقية، جزئية، ومتجانسة — وذلك تبعاً لازدياد تركيز المحلول الملحي.

English Abstract

This thesis presents an experimental and statistical investigation of sessile droplet evaporation on a hydrophilic porous membrane under controlled airflow from beneath the substrate. The study examines the influence of airflow rate (1–3 CFM), air temperature (23–43 °C), and salinity (0.5–5 M NaCl) on the droplet’s volume evolution, contact diameter, contact angle, and total evaporation time. A custom optical goniometric setup was designed to capture the temporal evolution of droplet geometry using high-resolution imaging, while droplet dynamics were analysed through ImageJ and OpenDrop-ML frameworks. The results reveal that droplets predominantly evaporate in the constant-contact-radius (CCR) mode for approximately 80% of their lifetime, with transitions to mixed or constant-angle modes near the end. Increasing airflow and temperature significantly accelerate evaporation, reducing lifetime by up to 81%, through enhanced convective and thermal mass transfer, whereas increasing salinity slows evaporation by lowering vapor pressure and inducing solutal Marangoni circulation. A 2³ full-factorial ANOVA/regression analysis quantified the relative influence of each parameter, confirming temperature (49%) and airflow (28%) as the most dominant factors, while salinity contributed about 14% to total variance. The model achieved excellent predictive accuracy (R² = 0.984, p < 0.001) with statistically validated assumptions of normality and homoscedasticity. Mass-loss decomposition showed that convective transport accounts for up to 78% of the total evaporation rate at high airflow and temperature, whereas diffusion dominates under static or saline conditions. Deposition imaging further revealed distinct salt-crystallization patterns, ring, partial, and uniform, corresponding to increasing solute concentration.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Alshehri, Ali
Committee Members:	Mohammed, Hussein and Linjawi, Majid
Depositing User:	MOHAMMED FAISAL (g202303470)
Date Deposited:	28 Dec 2025 10:25
Last Modified:	28 Dec 2025 10:25
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143893