Unravelling the mechanisms controlling droplet growth dynamics during condensation on micro-patterned surfaces

Dampkondensering er relevant for flere bruksområder med høy miljøpåvirkning, som for eksempel vannavsaltningssystemer, forbedret vanninnsamling og effektiv termisk styring. Dannelsen av væskedråper på en kald overflate er en kompleks prosess avhengig av overflatetemperaturen, omgivende fuktighet og materialoverflateegenskaper. Overflater gjøres vanligvis hydrofobe eller til og med superhydrofobe med sikte på å forbedre levetiden til det dråpevise kondenseringsregimet. Dette prosjektet undersøker oppførselen til dråper som dannes på en kondenserende overflate, både eksperimentelt og numerisk, og sammenligner oppførselen deres på glatte og søylelignende strukturerte overflater. En termodynamisk-basert modell er implementert, der dråper vokser etter termodynamiske lover uten ad-hoc-informasjon om kondensasjonshastigheten. På glatte overflater med fuktbarhetsgradient vokser dråpene asymmetrisk mens de beveger seg over overflaten. En gruppe dråper som vokser på en avkjølt overflate viser dynamikk som er forskjellig fra en isolert voksende dråpe. Å forstå hvordan dråper vokser, smelter sammen og og interagerer med nabodråper vil bidra til å forbedre effektiviteten av væskeoppsamling i bruksområdene nevnt ovenfor, slik som vannfangstsystemer og kjølemiddelkondensering i termiske styringssystemer.

Vapour condensation is relevant for several applications with high environmental impact such as water desalination systems, enhanced water harvesting and efficient thermal management. Here, dropwise condensation (condensation in the form of droplets) is preferred due to its high heat transfer capabilities. Nano-fabrication allows developing micro-patterned superhydrophobic surfaces to enhance dropwise condensation. However, design of stable dropwise condensation surfaces still remains a challenge since surfaces become flooded very fast at high humidity conditions. The problem lies on the lack of understanding of the physics controlling this loss of superhydrophobicity. To close this gap in knowledge, the goal of this project will be to identify the main mechanisms determining droplet growth dynamics on patterned surfaces. While most studies of dropwise condensation have been experimentally based, numerical simulations in this area have not been given enough attention and they should be exploited further. I will use numerical simulations as a high-resolution laboratory for studying small-scale phenomena impossible to obtain from experiments. The novelty of this approach will be in the consideration of both heat transfer and flow dynamics aspects, a coupling that has been mostly overlooked. Thermodynamic based models will be used to describe phase change, contrary to the usually used empirical models. In parallel, experimental measurements of local heat flux will be obtained for the first time by using an ultra-small RTD sensor fabricated on the condensing surface. The project will result in new theory and fundamental understanding of the phenomenon, providing the basis for development of more efficient condensation surfaces. This will have a strong impact also for development of superhydrophobic surfaces for related applications such as anti-icing/anti-fog surfaces, condensation of CO2, petrochemical industry (liquefied natural gas) and biotechnological devices.