TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Dynamics of corner flows driven by wettability

Thammanna Gurumurthy, Vignesh (2018):
Dynamics of corner flows driven by wettability.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8056],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Capillary driven flows in confined spaces such as grooves, microchannels and in polygonal containers arise in numerous contexts found in microfluidic devices, porous media, coating of textured surfaces, etc. The interior corners in these geometries enhance the capillary effects resulting in the rise of rivulets in the corner. These rivulets are known to affect the performance of the devices simply by influencing the amount of liquid in different regions of the channel or groove. Understanding the behaviour and optimizing the performance in aforementioned applications requires quantitative modelling of the dynamics of capillary flows in corners.

The objective of this thesis is to understand the dynamics of fluid flows in the corners, and their influence on the bulk flow using numerical simulations and theoretical analyses. Within this framework, three studies investigating the spontaneous and forced wetting flows in two model geometries under the influence of gravity are carried out. The spontaneous wetting of rivulets in the interior corners of a square capillary is investigated using numerical simulations. The shape of the rivulet and the flow inside the rivulet is also studied using lubrication theory. The spontaneous rise in an array of connected open rectangular channels is studied using numerical simulations. Here, the dynamics of fluid flow inside the channel (bulk flow), on the outer face and on the outer corner are also investigated, in addition to the rivulets inside the channel. The dynamics of bulk flow are compared with the capillary rise model extended for the open channels. Two types of forced wetting - immersion and pumping - are investigated in a square capillary, where the behavior of the bulk flow and the rivulet in the corner are studied separately.

Results from the spontaneous wetting simulations in both geometries show that at long times, the rivulets rise according to the one-third power-law, and their rise rate is weakly dependent on the geometry. A similarity solution is obtained using the lubrication approximation of the flow inside the rivulet, which matches the simulations in describing the rivulet profile. Also, a scaling relation based on the similarity solution for the non-dimensional growth rate is proposed. The simulations in the open rectangular channel reveals that the typical cusp formation at the outer corner smoothens out when the channel dimensions are smaller than the capillary length of the liquid. In addition, the simulations also highlight the limitations of the capillary rise model when extended to describe the bulk flow in open channels, and also indicate the similarities between the spontaneous wetting of the outer face and a planar wall. The forced wetting experiments of the bulk flow reveals that the liquid column starts falling down at a steady speed, which is predicted by the extended capillary rise model with sufficient accuracy. The rivulets under forced wetting reaches a fixed length, which decreases with increasing capillary number, eventually leading to air entrainment. The lubrication approximation for the rivulet flow is able to predict its shape accurately.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Thammanna Gurumurthy, Vignesh
Title: Dynamics of corner flows driven by wettability
Language: English
Abstract:

Capillary driven flows in confined spaces such as grooves, microchannels and in polygonal containers arise in numerous contexts found in microfluidic devices, porous media, coating of textured surfaces, etc. The interior corners in these geometries enhance the capillary effects resulting in the rise of rivulets in the corner. These rivulets are known to affect the performance of the devices simply by influencing the amount of liquid in different regions of the channel or groove. Understanding the behaviour and optimizing the performance in aforementioned applications requires quantitative modelling of the dynamics of capillary flows in corners.

The objective of this thesis is to understand the dynamics of fluid flows in the corners, and their influence on the bulk flow using numerical simulations and theoretical analyses. Within this framework, three studies investigating the spontaneous and forced wetting flows in two model geometries under the influence of gravity are carried out. The spontaneous wetting of rivulets in the interior corners of a square capillary is investigated using numerical simulations. The shape of the rivulet and the flow inside the rivulet is also studied using lubrication theory. The spontaneous rise in an array of connected open rectangular channels is studied using numerical simulations. Here, the dynamics of fluid flow inside the channel (bulk flow), on the outer face and on the outer corner are also investigated, in addition to the rivulets inside the channel. The dynamics of bulk flow are compared with the capillary rise model extended for the open channels. Two types of forced wetting - immersion and pumping - are investigated in a square capillary, where the behavior of the bulk flow and the rivulet in the corner are studied separately.

Results from the spontaneous wetting simulations in both geometries show that at long times, the rivulets rise according to the one-third power-law, and their rise rate is weakly dependent on the geometry. A similarity solution is obtained using the lubrication approximation of the flow inside the rivulet, which matches the simulations in describing the rivulet profile. Also, a scaling relation based on the similarity solution for the non-dimensional growth rate is proposed. The simulations in the open rectangular channel reveals that the typical cusp formation at the outer corner smoothens out when the channel dimensions are smaller than the capillary length of the liquid. In addition, the simulations also highlight the limitations of the capillary rise model when extended to describe the bulk flow in open channels, and also indicate the similarities between the spontaneous wetting of the outer face and a planar wall. The forced wetting experiments of the bulk flow reveals that the liquid column starts falling down at a steady speed, which is predicted by the extended capillary rise model with sufficient accuracy. The rivulets under forced wetting reaches a fixed length, which decreases with increasing capillary number, eventually leading to air entrainment. The lubrication approximation for the rivulet flow is able to predict its shape accurately.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 30 Sep 2018 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8056
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-80565
Referees: Tropea, Prof Cameron and Garoff, Prof Stephen and Roisman, apl. Prof Ilia V.
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 24 August 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Von Kapillarkräften getriebene Strömungen in Rillen, Mikrokanälen und mehreckigen Behältnissen treten in vielfältingen Anwendungen der Mikrofluidik auf, so z.B. in porösen Medien oder während der Beschichtung konturierter Oberflächen. Konkave Ecken dieser Geometrien verstärken den Kapillareffekt und führen zu einer verstärkten Rinnsalströmung entlang der Ecken.Es ist bekannt, dass diese Rinnsale das Verhalten der spezifischen Anwendung beeinflussen, da sie zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit in verschiedenen Bereichen führen. Daher ist das Verständnis kapillargetriebener Strömungen in Mikrokanälen und Rillen von entscheidender Bedeutung für die Auslegung der zuvor genannten Anwendungen, und bildet das Ziel der hier vorliegenden Arbeit.Im Rahmen dieser Arbeit werden drei verschiedene Studien zur Strömung während der spontanen und erzwungenen Benetzung in zwei verschiedenen Modellgeometrien durchgeführt. Zunächst wird die spontane Benetzung in den Ecken einer quadratischen Kapillare unter Einfluss der Gravitation numerisch untersucht. Dabei werden die Form der Rinnsale sowie die Fluidströmung im Inneren eines Rinnsals basierend auf der Schmierfilmannäherung beschrieben. Dann wird die spontane Benetzung innerhalb einer Anordnung von miteinander verbundenen rechteckigen Kanälen wird numerisch untersucht. Hierbei werden neben der Ausbreitung der Rinnsale innerhalb der Ecken der Kanäle auch die Fluidströmung in den Kanälen sowie an deren Außenseiten und äußeren Ecken untersucht. Die Strömung innerhalb der Kanäle wird dabei mit der Theorie zum Flüssigkeitsanstieg innerhalb einer Kapillare, die für offene Kanäle erweitert wurde, verglichen. Das Verhalten eines Rinnsals in den Ecken sowie die Strömung im Zentrum einer Kapillare während der erzwungenen Benetzung werden separat mithilfe von Experimenten, Simulationen und theoretisch untersucht. Ergebnisse der Simulationen zur spontanen Benetzung in beiden Geometrien zeigen, dass der Anstieg der Rinnsale über lange Zeiten dem Ein-Drittel Potenzgesetz folgt, wobei die Anstiegsrate dabei nur schwach von der Geometrie beeinflusst wird. Eine auf der Schmierfilmtheorie basierenden Ähnlichkeitslösung für die Strömung innerhalb eines Rinnsals ist in guter Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen. Basierend auf der Ähnlichkeitslösung wird außerdem ein Skalierungsgesetz für die dimensionslose Anstiegsrate vorgeschlagen. Die Simulationen der Strömung im offenen rechteckigen Kanal zeigen zusätzlich, dass sich die typische Meniskus-Spitzen an den äußeren Ecken glätten, wenn die Kanalbreite kleiner ist, als die kapillare Länge der Flüssigkeit. Weiterhin werden in den Simulationen sowol die Modell-Limits des Kapillaranstiegs abgebildet als auch die Ähnlichkeiten zwischen der spontanen Benetzung einer äußeren Kanalwand und einer ebenen Oberfläche. Die Experimente zur erzwungenen Benetzung zeigen, dass sich die Flüssigkeitssäule mit einer konstanten Geschwindigkeit absenkt, was auch mithilfe des erweiterten Modells zum Anstieg in einer Kapillare mit ausreichender Genauigkeit beschrieben werden kann. Die Rinnsale erreichen im Falle der erzwungener Benetzung eine konstante Länge, welche mit zunehmender Kapillarzahl abnimmt, wobei eine zunehmende Kapillarzahl zu Lufteinschlüssen führen kann. Die Schmierfilmannäherung erlaubt also eine genaue Vorraussage der Strömung und From der Rinnsale.German
Export:
Suche nach Titel in: TUfind oder in Google

Optionen (nur für Redakteure)

View Item View Item