Eğrisel Nano-Yüzeylerde Yüzey-Akışkan Etkileşimlerinin İncelenmesi

Abstract

Mikro/nano ölçekte akıskan davranısı, makro ölçektekinden önemli ölçüde farklıdır. Yüzey alanının hacme oranı ölçek küçüldükçe büyür ve akıskan-yüzey etkilesimleri önem kazanır. Bu projede, nano ölçekte egrisel yüzeyler üzerinde gazlar için dogrudan benzetim Monte Carlo (direct simulation Monte Carlo (DSMC)) metodu kullanılarak; sıvılar için ise LAMMPS moleküler dinamik (MD) benzetim yaklasımı grafik islemciler ile kullanılarak akıskan-yüzey etkilesimleri arastırıldı. Öncelikle, küçük ölçekte iki silindir arasında bulunan gaz ile ısı iletim problemi incelendi. Zamana baglı sıcaklık sıçrama modellerinin çözümü bir boyutta bile kolay degildir. Bu sebeple, Heaviside operasyonel yöntemi kullanıldı. Heaviside açılım teoremi genellestirildi ve bu açılımın kullanılması için yarı analitik bir yöntem önerildi. Gaz sıcaklıgının zamanla ve silindirlerden uzaklastıkça degisimi bulundu ve yüzeydeki sıcaklık sıçramasının büyüklügü hesaplandı. Katmanlı micro/nano-yüzey ile ortam arasındaki ısı iletiminin miktarının belirlenmesi birçok mikro-cihazın tasarımında kritik öneme sahiptir. Bu sebeple projede, hız kayma miktarı ile beraber akıskan ile egrisel nano-yüzeyler arasındaki ısı aktarımı özellikle incelendi. Dısbükey yüzey ile ortam arasında ısı iletiminin azaldıgı ve beklenmedik derecede yüksek bir sıcaklık sıçramasının varlıgı görüldü. Bu durumun sebeplerini daha iyi anlamak için moleküler dinamik benzetim yöntemi ile simülasyonlar yapıldı. Egriligin Kapitza uzunluguna ve termal konaklama katsayısına olan etkisi arastırıldı. Yüzey etkilerinin akıskan bölgesine nüfuzu gaz kinetik teori ile incelendi. Dısbükey yüzey üzerinde olusan S sınır tabakasının teorik temeli sorgulandı. Knudsen tabakasının dısbükey yüzey üzerinde genisledigi ispatladı. S sınır tabakasının tam kalınlıgı, Knudsen tabakası kalınlıgına baglı olarak hesaplandı. Gaz ve sıvı davranısları kıyaslandı. Dahası, iki silindir arasındaki kabuk problemi çözülerek iç ve dısbükey yüzeylerin termal davranısı kıyaslandı. Önerilen zeta-disk yöntemi ile Boltzmann denkleminin analitik incelendi. Kabuk problemi için MD ve DSMC benzetim sonuçları elde edildi. Hem gaz hem sıvılar için egriligin iç ve dısbükey yüzeylerde termal sınır direncine ve sıcaklık sıçramasına olan ters etkisinin varlıgını ortaya koydu. Projede, egrisel mikro-kanalda tasınan küresel küçük parçacıgın yüzeyine etki eden kuvvetler de incelendi. Dikdörtgensel kesitli egrisel kanalda, parçacıga etki eden ataletsel kuvvetler, parçacıkları çaplarına göre kanal yanal düzleminde farklı noktalarda odaklayarak, parçacık ayrısımına olanak vermektedir. Düz kanallarda ataletsel odaklanma görülse de verimli parçacık ayrısımı mümkün degildir. Egrisel kanallarda parçacık ayrısımının mekanizmasının anlasılması için sonlu elemanlar yöntemi ile genis çaplı simülasyonlar yapıldı. Sonuçlar, genelde, egriligin odaklanmayı iyilestirdigini, dikdörtgensel kanal kesitinin en-boy oranının artmasının ise ayrısımı kolaylastırdıgını gösterdi. Bu önemli sonuç ısıgında ataletsel odaklanma ile üstün parçacık ayrısımı için degisen egrilige ve en-boy oranına sahip dallardan olusan kanal agı yapısı önerildi. Üç boyutlu Dean akısına ait elde edilen analitik çözümler kullanılarak Murray kanuna alternatif bir optimum çatallanma kuralı da gelistirildi. Son olarak yüzey yükünün varlıgında, konik sekilli nano-gözenek modellemesi yapıldı ve sonlu elemanlar yöntemi ile çözüldü.