Numerical investigation of the thermocapillary migration of a water droplet in a microchannel by applying a heat source
- 1. Ho Chi Minh City University of Technology
- 2. Vietnam National University Ho Chi Minh City
- 3. National Central University
- 4. Nong Lam University Ho Chi Minh City
Description
The migration of a small droplet has been developed during the last two decades due to its applications in industry and high technology such as MEMS and NEMS devices, Lap-On-a- chip, transportation of fluids and so on. There have many studies on this topic in which the energy source as a driving force for the moving of a droplet is quite a difference like heating, magnetics, pressure, electric, laser, and so on. In this study, the numerical computation is used to investigate the transient thermocapillary migration of a water droplet in a micro-channel under the effect of heating source. For tracking the evolution of the free interface between two immiscible fluids, we employed the finite element method with the two-phase level set technique to solve the Navier-Stokes equations and continuity equation coupled with the energy equation. Both the upper wall and the bottom wall of the microchannel are set to be ambient temperature. 40mW heat source is placed at a distance of 1 mm from the initial position of a water droplet. When the heat source is turned on, a pair of asymmetric thermocapillary convection vortices is formed inside the droplet, and the thermocapillary on the receding side is smaller than that on the advancing side. The temperature gradient inside the droplet increases quickly at the initial times and then decreases versus time. Therefore, the actuation velocity of the water droplet first increases significantly and then decreases continuously. Furthermore, the results also indicate that the dynamic contact angle is strongly affected by the oil flow motion and the net thermocapillary momentum inside the droplet. The advancing contact angle is always larger than the receding contact angle during the actuation process.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تم تطوير هجرة قطرة صغيرة خلال العقدين الماضيين بسبب تطبيقاتها في الصناعة والتكنولوجيا العالية مثل أجهزة MEMS و NEMS و Lap - on - a - chip ونقل السوائل وما إلى ذلك. هناك العديد من الدراسات حول هذا الموضوع حيث يكون مصدر الطاقة كقوة دافعة لتحريك القطرة مختلفًا تمامًا مثل التدفئة والمغناطيسية والضغط والكهرباء والليزر وما إلى ذلك. في هذه الدراسة، يتم استخدام الحساب العددي للتحقيق في الهجرة الحرارية الشعرية العابرة لقطرة الماء في قناة دقيقة تحت تأثير مصدر التسخين. لتتبع تطور الواجهة الحرة بين سائلين غير قابلين للامتزاج، استخدمنا طريقة العناصر المنتهية مع تقنية ضبط المستوى على مرحلتين لحل معادلات Navier - Stokes ومعادلة الاستمرارية المقترنة بمعادلة الطاقة. تم ضبط كل من الجدار العلوي والجدار السفلي للقناة الدقيقة على درجة الحرارة المحيطة. يتم وضع مصدر حرارة 40 ميجا واط على مسافة 1 مم من الموضع الأولي لقطرة الماء. عند تشغيل مصدر الحرارة، يتشكل زوج من دوامات الحمل الحراري الشعري غير المتماثلة داخل القطرة، وتكون الشعيرات الحرارية على الجانب المتراجع أصغر من تلك الموجودة على الجانب المتقدم. يزداد تدرج درجة الحرارة داخل القطرة بسرعة في الأوقات الأولية ثم ينخفض مقابل الوقت. لذلك، تزداد سرعة تشغيل قطرة الماء أولاً بشكل كبير ثم تنخفض باستمرار. علاوة على ذلك، تشير النتائج أيضًا إلى أن زاوية التلامس الديناميكية تتأثر بشدة بحركة تدفق الزيت والزخم الحراري الشعري الصافي داخل القطرة. تكون زاوية التلامس المتقدمة دائمًا أكبر من زاوية التلامس المنحسرة أثناء عملية التشغيل.Translated Description (French)
La migration d'une petite gouttelette a été développée au cours des deux dernières décennies en raison de ses applications dans l'industrie et la haute technologie telles que les dispositifs MEMS et nems, Lap-On-a-Chip, le transport de fluides, etc. Il existe de nombreuses études sur ce sujet dans lesquelles la source d'énergie en tant que force motrice pour le déplacement d'une gouttelette est assez différente comme le chauffage, le magnétisme, la pression, l'électricité, le laser, etc. Dans cette étude, le calcul numérique est utilisé pour étudier la migration thermocapillaire transitoire d'une gouttelette d'eau dans un micro-canal sous l'effet d'une source de chauffage. Pour suivre l'évolution de l'interface libre entre deux fluides non miscibles, nous avons utilisé la méthode des éléments finis avec la technique des ensembles de niveaux à deux phases pour résoudre les équations de Navier-Stokes et l'équation de continuité couplée à l'équation d'énergie. La paroi supérieure et la paroi inférieure du microcanal sont réglées à la température ambiante. La source de chaleur de 40 mW est placée à une distance de 1 mm de la position initiale d'une gouttelette d'eau. Lorsque la source de chaleur est allumée, une paire de tourbillons de convection thermocapillaires asymétriques est formée à l'intérieur de la gouttelette, et le thermocapillaire sur le côté en retrait est plus petit que celui sur le côté en avance. Le gradient de température à l'intérieur de la gouttelette augmente rapidement aux instants initiaux, puis diminue en fonction du temps. Par conséquent, la vitesse d'actionnement de la gouttelette d'eau augmente d'abord de manière significative, puis diminue continuellement. En outre, les résultats indiquent également que l'angle de contact dynamique est fortement affecté par le mouvement de l'écoulement d'huile et l'impulsion thermocapillaire nette à l'intérieur de la gouttelette. L'angle de contact d'avance est toujours plus grand que l'angle de contact de recul pendant le processus d'actionnement.Translated Description (Spanish)
La migración de una pequeña gota se ha desarrollado durante las últimas dos décadas debido a sus aplicaciones en la industria y la alta tecnología, como dispositivos MEMS y NEMS, Lap-On-a- chip, transporte de fluidos, etc. Hay muchos estudios sobre este tema en los que la fuente de energía como fuerza impulsora para el movimiento de una gota es bastante diferente, como el calentamiento, el magnetismo, la presión, la electricidad, el láser, etc. En este estudio, el cálculo numérico se utiliza para investigar la migración termocapilar transitoria de una gota de agua en un microcanal bajo el efecto de una fuente de calor. Para rastrear la evolución de la interfaz libre entre dos fluidos inmiscibles, empleamos el método de elementos finitos con la técnica del conjunto de niveles de dos fases para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes y la ecuación de continuidad junto con la ecuación de energía. Tanto la pared superior como la pared inferior del microcanal se ajustan a temperatura ambiente. La fuente de calor de 40 mW se coloca a una distancia de 1 mm de la posición inicial de una gota de agua. Cuando se enciende la fuente de calor, se forma un par de vórtices de convección termocapilares asimétricos dentro de la gota, y el termocapilar en el lado de retroceso es más pequeño que en el lado de avance. El gradiente de temperatura dentro de la gota aumenta rápidamente en los momentos iniciales y luego disminuye en función del tiempo. Por lo tanto, la velocidad de accionamiento de la gota de agua primero aumenta significativamente y luego disminuye continuamente. Además, los resultados también indican que el ángulo de contacto dinámico se ve fuertemente afectado por el movimiento del flujo de aceite y el momento termocapilar neto dentro de la gota. El ángulo de contacto de avance es siempre mayor que el ángulo de contacto de retroceso durante el proceso de accionamiento.Files
886.pdf
Files
(2.4 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:cc17374a3a8d1648144a61a0ef0dcfd2
|
2.4 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التحقيق العددي في الهجرة الحرارية الشعرية لقطرة الماء في قناة صغيرة من خلال تطبيق مصدر حرارة
- Translated title (French)
- Étude numérique de la migration thermocapillaire d'une goutte d'eau dans un microcanal par application d'une source de chaleur
- Translated title (Spanish)
- Investigación numérica de la migración termocapilar de una gota de agua en un microcanal mediante la aplicación de una fuente de calor
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3016050796
- DOI
- 10.32508/stdjet.v3isi1.716