Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την πειραματική διερεύνηση της αλληλεπίδρασης δέσμης εκροής νέφους σταγονιδίων νερού με το θερμικά στρωματοποιημένο,τυρβώδες ρευστο-θερμικό πεδίο που αναπτύσσεται πάνω από οριζόντια θερμαινόμενη επίπεδη επιφάνεια. Τα φαινόμενα και οι φυσικοί μηχανισμοί που διέπουν την ως άνω αλληλεπίδραση πέρα από τη σημασία τους σε σχέση με τη βασική έρευνα στο πεδίο των ρευστοθερμικών φαινομένων, παρουσιάζουν ενδιαφέρον σε πληθώρα πρακτικών προβλημάτων όπως κατά τον ψεκασμό καυσίμου σε κινητήρες εσωτερικής καύσης και καυστήρες, στη διφασική ψύξη ηλεκτρονικών, στην μετεωρολογία, στην πυρόσβεση, σε διεργασίες απόθεσης και επικάλυψης κ.α. Το ρευστο-θερμικό πεδίο αναπτύσσεται πάνω από οριζόντια θερμαινόμενη επιφάνεια μεταλλικής πλάκας μέσα σε ορθογωνική κοιλότητα με ανοικτή οροφή. Το νέφος σταγονιδίων δημιουργείται σε έναν νεφελοποιητή και εκτοξεύεται μέσα από ένα ακροφύσιο κυλινδρικού σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 4mm, κάθετα προς την οριζόντια επίπεδη επιφάνεια και σε σημαντική απόσταση από αυτήν (50cm), δημιουργώντας αρχικά μια διφασική δέσμη εκροής σταγονιδίων. Για την δημιουργία βάσης δεδομένων αναφοράς, σημαντικό μέρος της εργασίας αναφέρεται στην καταγραφή και μελέτη του θερμικού πεδίου ελεύθερης συναγωγής που δημιουργείται πάνω από τη θερμαινόμενη πλάκα χωρίς την παρουσία σταγονιδίων. Αντίστοιχα μελετήθηκε η ανάπτυξη της δέσμης εκροής σταγονιδίων σε ισοθερμοκρασιακές συνθήκες. Η παραμετρική μελέτη της αλληλεπίδρασης δέσμης εκροής σταγονιδίων και θερμικά στρωματοποιημένου πεδίου πραγματοποιήθηκε για δέσμες σε δύο αριθμούς Reynolds και για δύο ρυθμούς ροής θερμότητας από την πλάκα. Οι αριθμοί Reynolds που επιβάλλονται στη ροή δέσμης του νέφους (mistjet) είναι σχετικά χαμηλοί έτσι ώστε να ισχυροποιηθεί σχετικά η επίδραση του τοιχώματος και κυρίως οι ροϊκές δομές που δημιουργούνται λόγω των ανωστικών δυνάμεων κοντά στη θερμαινόμενη επιφάνεια. Η σύνθετη ροή που παράγεται λόγω της σημαντικής απόστασης μεταξύ του ακροφυσίου και της επίπεδης επιφάνειας - στόχου κατατάσσεται στην κατηγορία των δεσμών εκροής ασθενούς πρόσκρουσης. Οι παράμετροι που εξετάζονται περιλαμβάνουν μέσα και τυρβώδη χαρακτηριστικά τόσο των σταγόνων (μέγεθος και ταχύτητα), όσο και της θερμοκρασιακής κατανομής πάνω από την θερμαινόμενη πλάκα. Το θερμικό πεδίο σε συνθήκες ελεύθερης μεταφοράς και υπό την επίδραση της ροής των σταγονιδίων καταγράφτηκε με τη βοήθεια θερμοζεύγους πολύ μικρών διαστάσεων ώστε να αλλοιώνει όσο το δυνατόν λιγότερο τη ροή. Οι διαστάσεις του αισθητηρίου είναι σημαντικά μικρότερες της κλίμακας μήκους Kolmogorov και επομένως το αισθητήριο κρίθηκε ικανό για την ανάλυση όλων των σχετικών κλιμάκων της ροής. Το πεδίο νέφους σταγονιδίων μελετήθηκε με την τεχνική Ανεμομετρίας Φάσης Doppler (PhaseDopplerAnemometry - PDA) η οποία επιτρέπει την μέτρηση τόσο της ταχύτητας όσο και του μεγέθους των σταγονιδίων παρέχοντας τη δυνατότητα συσχέτισης των δύο μεγεθών για τον ενδελεχή χαρακτηρισμό της συμπεριφοράς των σταγονιδίων. Η τεχνική αυτή είναι μια από τις λίγες μη παρεμβατικές μεθόδους σημειακών μετρήσεων σε διφασικά ροϊκά πεδία η οποία δίνει πληροφορία για τη συγκέντρωση και την παροχή, με την τελευταία να αποτελεί σημαντικό εργαλείο στον υπολογισμό της εξάτμισης. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων κατά την αλληλεπίδραση των πεδίων (θερμικού και σταγονιδίων) μελετώνται και συγκρίνονται με τις συνθήκες αναφοράς της στρωματοποιημένης ροής του θερμοκρασιακού πεδίου και της ισόθερμης ροής του πεδίου ταχυτήτων δίνοντας πληροφορία για την επίδραση του νέφους σταγονιδίων στους μηχανισμούς τυρβώδους μεταφοράς. Αναγνωρίστηκε ως κυρίαρχη δομή του πεδίου συναγωγής το κινούμενο πλούμιο συχνά μορφής μανιταριού. Η μορφή των κατανομών πυκνότητας πιθανότητας (PDF) ερμηνεύθηκε σε σχέση με το ιστορικό δημιουργίας και ανταλαγών θερμότητας των επί μέρους αερίων μαζών που διέρχοτναι από τη θέση μέτρησης. Στις κατανομές φασματικής ισχύος (PSD) του σήματος της θερμοκρασίας αναγνωρίσθηκε ιδιοσυχνότηταπου υποδεικνύει την παρουσία δομής μεγάλης κλίμακας. Αναφορικά με το πεδίο σταγονιδίων παρατηρήθηκε ότι η παρουσία της επιφάνειας – στόχου επιβραδύνει τις δέσμες πρόσπτωσης ελαττώνοντας και τις διακυμάνσεις στην περιοχή του τοιχώματος. Η θέρμανση επηρεάζει τις μέσες και κυμαινόμενες ταχύτητες σε σημαντική απόσταση από την οριζόντια πλάκα, ενώ το μέγεθος των σταγονιδίων μειώνεται κατάντη της ροής με διαφορετικές τάσεις ως προς τον Re. Αυξημένες τιμές της μέσης διαμέτρου Sauter (D32) παρατηρούνται κοντά στην επιφάνεια ειδικά για την περίπτωση ισόθερμου ψεκασμού του υψηλότερου Re. Η θέρμανση της επιφάνειας έχει σημαντική επίπτωση στον περιορισμό της αυξητικής τάσης της παροχής αέρα λόγω συμπαράσυρσης, που είναι πιο εμφανής στις περιπτώσεις χαμηλού Re. / The interaction of a water mist jet with the thermally stratified turbulent field developing over a horizontal heated flat plate, in an open top cavity, is investigated experimentally. The physical phenomena dominating this interaction, besides their importance for theoretical thermo-fluids, influence a wide spectrum of applications including fuel injection in internal combustion engines and burners, electronics cooling, meteorology, fire extinguishing, deposition and coating processes etc. Water mist, generated in a nebulizer, is sprayed through a cylindrical orifice of internal diameter 4mm, vertically, towards the horizontal surface and at considerable distance from it (50cm). In order to establish a reference case data base, a significant part of the work refers to data collection and study on the thermal convection field characteristics, in the absence of the spray mist, as well as on the isothermal mist jet development. The interaction field has been investigated for mist jets of two Reynolds numbers and at two flat plate heating rates. The mist jet Reynolds numbers were rather low in order to enhance the influence of the plate and the flow structures generated due to buoyancy. Mean and turbulent characteristics of the spray (velocity and size) and the temperature distribution were monitored. A small thermocouple, significantly smaller than the Kolmogorov length scale, was used for temperature measurements. Droplet velocities and sizes were measured with Phase Doppler Anemometry, which also provided concentration and flux measurements. Moving plumes, often in the form of mushrooms, were identified as the dominant structures in the convection field. The form of temperature probability density functions was related to the past history of formation and heat exchange of air masses crossing the measuring point. An eigenfrequency, identified in the temperature power spectra indicates the presence of a large scale structure. The presence of the target plate decelerates the mist jets reducing also turbulent fluctuations close to the surface. Heating influences the mean and fluctuating velocities at considerable distance from the plate, reducing the rate of jet mass flux growth due to entrainment, more evidently for the low Re jet. Droplet sizes decrease downstream, presenting different trends in relation to Re. Increased values of the Sauter mean diameter (D32) are observed very close to the plate surface, particularly for the high Re number, isothermal jet.

Στην παρούσα διατριβή μελετάται η εξέλιξη του φαινομένου της εξάτμισης σταγονιδίου που βρίσκεται πάνω σε στερεό επίπεδο υπόστρωμα, καθώς, και η διεργασία απόθεσης των αιωρούμενων σωματιδίων κατά την εξάτμιση υγρών σωμάτων με κυλινδρική γεωμετρία που αποτελούνται από κολλοειδή αιωρήματα. Παρουσιάζεται η μοντελοποίηση της διεργασίας εξάτμισης μικροσταγονιδίων πάνω σε στερεά υποστρώματα. Υπολογίζεται αναλυτικά το πεδίο ροής στο εσωτερικό διδιάστατων σταγονιδίων κατά την εξάτμισή τους από επίπεδα υποστρώματα για τις περιπτώσεις δυναμικής και έρπουσας ροής. Εξετάζεται η επίδραση του μηχανισμού που ελέγχει την εξάτμιση (αλλαγή φάσης, διάχυση ατμών), καθώς, και ο ρόλος των γραμμών επαφής (σταθερές γραμμές επαφής, σταθερή γωνία επαφής). Η διεργασία απόθεσης των αιωρούμενων σωματιδίων προσομοιώνεται με τη μέθοδο τροχιών σωματιδίων και τη μέθοδο συναγωγής-διάχυσης δικτύου Boltzmann. Τα σωματίδια κινούνται υπό την επίδραση του πεδίου ροής και της θερμικής κίνησής τους. Μελετάται η επίδραση του υποστρώματος στη διάχυση των σωματιδίων και η αλληλεπίδραση των σωματιδίων με την ελεύθερη επιφάνεια του σταγονιδίου. Παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων για διάφορους αριθμούς Peclet, τόσο για υδρόφιλα όσο και για ισχυρά υδρόφοβα υποστρώματα και εξάγονται συμπεράσματα για τις συνθήκες δημιουργίας ομοιόμορφων αποθέσεων. / In this thesis the evaporation of droplets lying on substrates and the deposition process during the evaporation of colloidal liquid lines are investigated. The evaporation process has been mathematically modeled. The flow field inside an evaporating two dimensional microdroplet has been analytically calculated for the cases of potential and creeping flow. The effect of the evaporation controlling mechanism (phase change, vapor diffusion) and the behavior of the contact lines (pinned contact lines, depinned contact lines with constant contact angle) have been investigated. The deposition process of the suspended particles is simulated using the method of particle trajectories as well as the lattice Boltzmann convection-diffusion method. The particles move due to the flow field and their Brownian motion. The effect of solid substrate on the diffusivity, as well as, the particles interactions with the free surface of the droplet have been, also, investigated. Simulations results are presented for different Peclet numbers for hydrophilic and strongly hydrophobic substrates and useful conclusions have been arrived about the conditions that favor the formation of uniform deposits.