Numerical study of drop impacts on solid surfaces. Influence of the contact line dynamics

Resumen

El presente trabajo está centrado en el estudio numérico del impacto de gotas sobre superficies sólidas, con especial énfasis en la influencia del ángulo de contacto sobre la dinámica de la línea de contacto y el patrón de flujo obtenido. Con este propósito, se han desarrollado e implementado diferentes modelos numéricos y he\-rramientas computacionales que permiten simular de manera precisa y eficiente los complejos fenómenos asociados a este tipo de flujo interfacial. El seguimiento de la interfaz es una de las principales dificultades que surgen al simular numérica\-mente flujos de dos fases no miscibles, y, por tanto, se ha prestado especial atención a la tarea de seleccionar, mejorar e implementar un método de tipo “volume of fluid” (VOF) capaz de simular este tipo de flujos tridimensionales y altamente no estacionarios. Por un lado, se ha usado un método VOF de tipo algebraico en la simulación de impactos axisimétricos de gotas que dan lugar a una deposición. Por otro lado, se ha empleado un método geométrico de advección de la interfaz disponible en OpenFOAM en combinación con un método de reconstrucción de la interfaz que se ha implementado en OpenFOAM con este propósito. Se han validado la precisión y eficiencia de los métodos empleados mediante una comparación sistemática y exhaustiva con otros métodos VOF, lo que ha puesto de manifiesto sus ventajas. Esto se ha llevado a cabo empleando varios tests cinemáticos y simulaciones numéricas en las que se resuelven las ecuaciones de Navier-Stokes. También se ha estudiado la influencia del esquema elegido en la discretización del término convectivo en la ecuación de conservación de la cantidad de movimiento, lo que es crucial en instantes inmediatamente posteriores al impacto de la gota sobre la superficie sólida y que determina la capacidad del modelo numérico para reproducir la complejidad del flujo que tiene lugar en impactos con fenómenos de salpicadura y formación de dedos (“fingering”). Otro de los aspectos esenciales en la simulación numérica de flujos interfaciales no estacionarios cerca de una superficie sólida es la adecuada reproducción de la dinámica de la línea de contacto. Esto es debido a la singularidad que surge al emplear la hipótesis de medio continuo en la descripción del movimiento de dicha línea junto con la aplicación de la condición de no deslizamiento en la superficie sólida. Para reproducir de manera simple pero efectiva la dinámica de la línea de contacto en superficies sólidas, se ha propuesto un modelo de fuerza de la línea de contacto. La fuerza es introducida como una fuerza de volumen en las ecuaciones de Navier-Stokes al tiempo que se impone el ángulo de la interfaz en la línea de contacto. Se ha estudiado la adecuación del modelo mediante la simulación de varios impactos en un amplio rango de números de Reynolds y Weber. Los resultados han sido comparados con datos experimentales obtenidos por otros autores y con resultados numéricos obtenidos con diferentes modelos de ángulo de contacto. El modelo de línea de contacto propuesto se ha empleado, junto con el método VOF geométrico implementado, en la simulación numérica del impacto de una gota sobre una superficie hidrofóbica, bajo condiciones en las que se forman salpicaduras y “dedos”. Los resultados han sido comparados con resultados experimentales propios, y se ha obtenido un buen grado de concordancia a pesar de los complejos fenómenos que intervienen.