In the present study, the evaporation behavior of a water droplet impinging onto heated porous substrates was investigated both experimentally and numerically. Four porous substrates having different permeability ( $3.5 \times 10^{-12}m^2 - 56.5 \times 10^{-12}m^2$ ) were prepared by sintering uniform-sized glass beads and the surface temperature was varied from $50^\circ C$ to $90^\cir C$ . The temperature of droplet prior to impact was $30^\cir C$ and the impinging velocity was varied from 0.8m/s to 2.3m/s while the drop diameter was fixed at 2.6mm. As the temperature difference between water droplet and substrate surface was increased by a factor of three (from $20^\cir C$ to $60^\cir C$ ), the time of complete evaporation decreased by 75% in average. As the impact velocity was increased by about three folds, the evaporation time became shorter by 30% in average. Furthermore, as the permeability of substrate was increased to sixteen times of the lowest value, the evaporation took longer by about 30%. In addition, numerical simulation was conducted to estimate the evaporation time with appropriate assumptions. The general trend of time variations of the temperatures at the surface and inside the porous substrates was predicted reasonably well. The effect of advection of the humid-air flow through the porous structure on the temperature variation of the substrate increases with the higher substrate temperature but the effect is relatively minor. Rather, the major role of the porous structure is to maintain the maximum wetted diameter throughout the evaporation process by pinning of the edge. The numerical simulation with various simplifying assumptions overestimated the evaporation time by 25% compared to the measured values.
본 학위논문에서는 가열된 다공성 표면에 충돌하는 물 액적의 증발 거동에 대해 실험 및 수치
모사가 수행되었다. 실험을 통해 다공성 기판의 초기 표면 온도 및 투과도, 액적의 충돌 속도에
따른 열, 수력학적 거동을 확인하였으며, 수치 모사를 통해 물 액적의 증발 완료 시간을 예측하는
연구를 수행하였다. 투과도가 서로 다른 4가지의 다공성 기판이 사용되었으며, 균일한 입경을 갖는
유리 알갱이를 소결하여 제작되었다. 시간에 따른 다공성 기판 내부의 온도 변화를 확인하기 위해
3개의 열전대를 삽입하였다. 직경이 2.6mm이고 $30^\cir C$ 의 온도를 갖는 물 액적을 0.8 m/s - 2.3 m/s의 속도로 다공성 기판에 충돌 시켰으며, 다공성 기판의 온도는 $50^\cir C$ - $90^\cir C$ 까지 변경되었다. 충돌 전 액적의 온도와 초기 표면 온도의 차이가 $20^\cir C$ 에서 $60^\cir C$로 3배 증가함에 따라 증발 완료 시간이 약 75% 짧아졌으며, 액적의 충돌 속도가 약 3배 증가함에 따라 증발 시간은 약 30% 감소하였다.
반면, 다공성 기판의 투과도가 약 16배 증가함에 따라 액적의 증발 완료 시간이 30% 증가함을 확인하였다. 이는 초기 표면 온도 및 충돌 속도가 증가할수록 최대 젖음 직경이 증가하여 열전달 면적이 넓어져서 증발 시간이 감소하며, 다공성 기판의 투과도가 증가할수록 최대 젖음 직경이 감소하여 증발 완료 시간이 증가하였다. 액적의 증발 시간을 예측하기 위해, 적절한 가정들을 이용하여 수치 모사를 수행하였다. 액적이 다공성 기판에 충돌 후 증발이 일어나는 과정 동안, 시간에 따른 기판 내부의 온도 변화를 모사할 수 있었으며, 실험을 통해 얻은 증발 완료 시간을 최대 오차 25% 범위 내로 예측할 수 있었다.
