MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)umichrackham006002
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a621
■1001  ▼aBurrell,  Erin  May.
■24510▼aNumerical  Investigation  of  High-Speed  Droplet  Impact  Upon  a  Solid  Surface
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Michigan▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a154  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-11,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Johnsen,  Eric.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Michigan,  2025.
■520    ▼aThe  impact  of  high-speed  liquid  droplets  onto  a  solid  surface  plays  an  important  role  in  a  wide  range  of  applications  including  cleaning  of  semiconductor  devices,  steam  turbines,  and  supersonic/hypersonic  flight.  The  mechanical  loads  experienced  by  high-speed  projectiles  from  atmospheric  droplet  interactions  are  critical  in  assessing  their  performance  and  structural  integrity.  Droplet  impact  has  been  widely  studied  in  the  incompressible  to  weakly  compressible  regime.  However,  limited  work  has  been  conducted  on  the  (highly)  compressible  regime.  High-speed  droplet  impacts  pose  a  complex  multiphysics  challenge  due  to  intricate  shock  interactions,  which  make  predicting  surface  stresses  difficult.  The  mechanism  responsible  for  generating  maximum  pressure  at  large  impact  speeds  remains  poorly  understood.  Most  research  on  high-speed  impacts  has  focused  on  single  droplet  impact,  leaving  the  effects  of  multiple  high-speed  droplets  largely  unexplored. This  thesis  aims  to  enhance  the  current  understanding  high-speed  (highly  compressible)  droplet  impacts  through  numerical  simulations.  It  seeks  to  determine  the  necessary  resolution  requirements  for  accurately  modeling  surface  pressure,  investigate  the  role  of  compressibility  in  predicting  potential  surface  damage  during  single  droplet  impacts,  and  explore  the  interactions  of  multiple  impacting  droplets.  To  achieve  this  objective,  high-fidelity  numerical  simulations  of  water  droplets  impacting  a  rigid  wall  at  Mach  numbers  greater  than  2  are  conducted  using  a  second-order  accurate  method  with  adaptive  mesh  refinement  and  a  consistent,  conservative  Phase-Field  approach.This  thesis  investigates  the  model  parameters  and  resolution  requirements  necessary  for  performing  simulations  that  accurately  capture  the  physics  of  high-speed  droplet  impacts.  Accurately  predicting  the  pressure  on  a  surface  during  impact  requires  precise  modeling  of  the  droplet's  air/water  interface.  Innovative  modeling  techniques  (Phase-Field  model)  provide  control  over  the  numerical  interface  thickness,  necessitating  the  identification  of  the  correct  parameters  governing  this  thickness.  The  interface  thickness  and  resolution  parameters  significantly  affect  both  the  maximum  surface  pressure  and  its  wall  location.  Thin  interfaces  clearly  demonstrate  that  pressure  is  generated  in  a  highly  compressed  air  pocket.  A  balanced  combination  of  resolution  parameters  and  numerical  interface  thickness  can  accurately  capture  the  physics  while  minimizing  computational  costs. Building  on  an  understanding  of  the  resolution  parameters  that  enable  accurate  physics,  this  thesis  then  computationally  explores  the  role  of  compressibility  in  identifying  the  mechanism  that  generates  maximum  wall  pressure.  It  also  examines  how  increasing  droplet  speeds  intensify  compressibility  effects,  thereby  raising  the  likelihood  of  potential  damage.  Notably,  the  maximum  wall  pressures  occur  within  an  air  pocket  compressed  by  the  incoming  droplet.  These  pressures  exceed  those  predicted  by  classical  water-hammer  theory.  However,  the  center-point  pressure  aligns  with  a  modified  equation  accounting  for  compressibility.  From  the  surface  pressure  and  material  properties,  the  potential  deformation  can  be  deduced.Leveraging  the  understanding  of  single  high-speed  droplet  impact,  the  thesis  study  explores  how  changes  in  droplet  spacing  and  size  ratio  influence  the  wall  pressures  resulting  from  the  impact  of  two  Mach  4  cylindrical  droplets  on  a  rigid  surface  through  numerical  simulations.  The  collision  of  lateral  jets  from  the  droplets  produces  a  pressure  that  is  notably  higher  than  single  droplet  impact,  when  the  droplets  are  sufficiently  close  to  each  other.By  employing  numerical  simulations  with  appropriate  resolution/model  parameters,  the  pressure  exerted  on  a  surface  by  high-speed  droplet  impacts  can  be  accurately  predicted.  This  accurate  characterization  of  the  surface  pressures  is  critical  to  predicting  mechanical  loads/possible  damage,  with  the  potential  to  lead  design  improvements  (enhanced  performance/structural  integrity)  for  a  number  of  applications,  ranging  from  supersonic/hypersonic  flight  to  steam  turbines.
■590    ▼aSchool  code:  0127.
■650  4▼aMechanical  engineering
■650  4▼aPhysics
■650  4▼aEngineering
■650  4▼aMaterials  science
■653    ▼aDroplets
■653    ▼aWater-hammer
■653    ▼aMultiphase  flows
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■653    ▼aPhase-Field  approach
■690    ▼a0548
■690    ▼a0794
■690    ▼a0537
■690    ▼a0605
■71020▼aUniversity  of  Michigan▼bMechanical  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-11B.
■790    ▼a0127
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17358277▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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