Published July 21, 2022
| Version v1
Publication
Open
Numerical Analysis of the Effect of Marangoni Convection in a Shallow Cylinder
Description
Abstract A numerical study in a two-dimensional, axisymmetric cylindrical geometry is performed to evaluate the effect of Marangoni convection in shallow liquid layers. The test fluid used is silicone oil. The study aims to understand Marangoni convection for a range of temperature gradients (9.0 K, 11.5 K, and 14.0 K), layer depths (4.0 mm, 4.5 mm, and 5.0 mm) under earth gravity (1.0 g), and microgravity (0.5 ×10 -3 g) conditions. The finite element method is used to solve the present problem and the numerical models were created using COMSOL V5.6 commercial tool. The influence of fluid meniscus on Marangoni convection is analyzed and found out the thermo-capillary force is less significant in driving the fluid. The present investigation in microgravity ensures the Marangoni convection dominates natural convection. For all the test conditions, it is found that Marangoni convection is influenced more by temperature difference than layer depths. It is observed that the velocity magnitude deviates around 45% for the selected temperatures at 4 mm layer depth, whereas, a 3% deviation is only found between the selected ranges of layer depths at a temperature difference of 11.5 K. From the microgravity study, it is clear that for velocity magnitude at z = 2.5 mm the Marangoni convection contributes to almost 90% of the total convection. It was also observed that the presence of Meniscus will reduce the free surface velocity by almost 60 %.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الملخص يتم إجراء دراسة عددية في هندسة أسطوانية ثنائية الأبعاد ومتناظرة المحاور لتقييم تأثير الحمل الحراري لمارانجوني في طبقات السائل الضحلة. سائل الاختبار المستخدم هو زيت السيليكون. تهدف الدراسة إلى فهم الحمل الحراري لمارانغوني لمجموعة من التدرجات الحرارية (9.0 كلفن، 11.5 كلفن، و 14.0 كلفن)، وأعماق الطبقات (4.0 مم، 4.5 مم، و 5.0 مم) تحت ظروف الجاذبية الأرضية (1.0 جم)، والجاذبية الصغرى (0.5 ×10 -3 جم). يتم استخدام طريقة العناصر المحدودة لحل المشكلة الحالية وتم إنشاء النماذج العددية باستخدام أداة COMSOL V5.6 التجارية. يتم تحليل تأثير الغضروف الهلالي السائل على الحمل الحراري لمارانغوني واكتشف أن القوة الحرارية الشعرية أقل أهمية في دفع السائل. يضمن التحقيق الحالي في الجاذبية الصغرى أن الحمل الحراري لمارانجوني يهيمن على الحمل الحراري الطبيعي. بالنسبة لجميع ظروف الاختبار، وجد أن الحمل الحراري لمارانجوني يتأثر بفرق درجة الحرارة أكثر من أعماق الطبقات. لوحظ أن مقدار السرعة ينحرف حوالي 45 ٪ لدرجات الحرارة المحددة عند عمق طبقة 4 مم، في حين لا يوجد انحراف بنسبة 3 ٪ إلا بين النطاقات المحددة لأعماق الطبقة عند فرق درجة حرارة 11.5 كلفن. من دراسة الجاذبية الصغرى، من الواضح أنه بالنسبة لمقدار السرعة عند z = 2.5 مم، يساهم الحمل الحراري لمارانجوني في ما يقرب من 90 ٪ من إجمالي الحمل الحراري. كما لوحظ أن وجود الغضروف المفصلي سيقلل من سرعة السطح الحرة بنسبة 60 ٪ تقريبًا.Translated Description (French)
Résumé Une étude numérique dans une géométrie cylindrique bidimensionnelle et axisymétrique est réalisée pour évaluer l'effet de la convection de Marangoni dans les couches liquides peu profondes. Le fluide d'essai utilisé est de l'huile de silicone. L'étude vise à comprendre la convection de Marangoni pour une gamme de gradients de température (9,0 K, 11,5 K et 14,0 K), de profondeurs de couche (4,0 mm, 4,5 mm et 5,0 mm) dans des conditions de gravité terrestre (1,0 g) et de microgravité (0,5 ×10 -3 g). La méthode des éléments finis est utilisée pour résoudre le présent problème et les modèles numériques ont été créés à l'aide de l'outil commercial COMSOL V5.6. L'influence du ménisque de fluide sur la convection de Marangoni est analysée et la force thermo-capillaire est moins importante dans l'entraînement du fluide. La présente étude en microgravité assure que la convection de Marangoni domine la convection naturelle. Pour toutes les conditions d'essai, on constate que la convection de Marangoni est davantage influencée par la différence de température que par la profondeur des couches. On observe que la magnitude de vitesse dévie d'environ 45% pour les températures sélectionnées à une profondeur de couche de 4 mm, alors qu'une déviation de 3% n'est trouvée qu'entre les plages sélectionnées de profondeurs de couche à une différence de température de 11,5 K. D'après l'étude de microgravité, il est clair que pour la magnitude de vitesse à z = 2,5 mm, la convection de Marangoni contribue à près de 90% de la convection totale. Il a également été observé que la présence de Ménisque réduirait la vitesse de surface libre de près de 60 %.Translated Description (Spanish)
Resumen Se realiza un estudio numérico en una geometría cilíndrica bidimensional y axisimétrica para evaluar el efecto de la convección de Marangoni en capas líquidas poco profundas. El fluido de prueba utilizado es aceite de silicona. El estudio tiene como objetivo comprender la convección de Marangoni para un rango de gradientes de temperatura (9.0 K, 11.5 K y 14.0 K), profundidades de capa (4.0 mm, 4.5 mm y 5.0 mm) bajo condiciones de gravedad terrestre (1.0 g) y microgravedad (0.5 ×10 -3 g). El método de elementos finitos se utiliza para resolver el problema actual y los modelos numéricos se crearon utilizando la herramienta comercial COMSOL V5.6. Se analiza la influencia del menisco de líquido en la convección de Marangoni y se descubre que la fuerza termocapilar es menos significativa en la conducción del líquido. La presente investigación en microgravedad asegura que la convección de Marangoni domina la convección natural. Para todas las condiciones de prueba, se encuentra que la convección de Marangoni está más influenciada por la diferencia de temperatura que por las profundidades de las capas. Se observa que la magnitud de la velocidad se desvía alrededor del 45% para las temperaturas seleccionadas a una profundidad de capa de 4 mm, mientras que solo se encuentra una desviación del 3% entre los rangos seleccionados de profundidades de capa a una diferencia de temperatura de 11.5 K. A partir del estudio de microgravedad, está claro que para la magnitud de la velocidad a z = 2.5 mm, la convección de Marangoni contribuye a casi el 90% de la convección total. También se observó que la presencia de Menisco reducirá la velocidad de superficie libre en casi un 60 %.Files
latest.pdf.pdf
Files
(986.3 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:485fe9cc96beb25b5b60e7a4110e8dcc
|
986.3 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التحليل العددي لتأثير الحمل الحراري لمارانجوني في اسطوانة ضحلة
- Translated title (French)
- Analyse numérique de l'effet de la convection de Marangoni dans un cylindre peu profond
- Translated title (Spanish)
- Análisis numérico del efecto de la convección de Marangoni en un cilindro poco profundo
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4286208249
- DOI
- 10.21203/rs.3.rs-1822117/v1
References
- https://openalex.org/W1967169547
- https://openalex.org/W1970320249
- https://openalex.org/W1979575902
- https://openalex.org/W1989703213
- https://openalex.org/W1996319032
- https://openalex.org/W2008279919
- https://openalex.org/W2019230902
- https://openalex.org/W2019784608
- https://openalex.org/W2031105216
- https://openalex.org/W2031489051
- https://openalex.org/W2034178335
- https://openalex.org/W2054393961
- https://openalex.org/W2059260800
- https://openalex.org/W2071832075
- https://openalex.org/W2077271356
- https://openalex.org/W2086241237
- https://openalex.org/W2092573760
- https://openalex.org/W2102248331
- https://openalex.org/W2105378696
- https://openalex.org/W2597789007
- https://openalex.org/W2612279824
- https://openalex.org/W2793918825
- https://openalex.org/W2802903321
- https://openalex.org/W2899544590
- https://openalex.org/W2952484805
- https://openalex.org/W2998245262