Nghiên cứu mô phỏng sự chuyển động của giọt chất lỏng trong kênh dẫn micro dưới tác dụng của nguồn nhiệt laser

Trong bài viết này, các phương pháp số được sử dụng để mô phỏng sự di chuyển của giọt chất lỏng trong kênh dẫn micro bởi hiện tượng mao dẫn nhiệt. Nguồn nhiệt từ laser 40 mW được đặt ở vị trí cách vị trí ban đầu của giọt chất lỏng khoảng 1 mm.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu mô phỏng sự chuyển động của giọt chất lỏng trong kênh dẫn micro dưới tác dụng của nguồn nhiệt laser Tạp chí Khoa học và Công nghệ 137 (2019) 038-043 Nghiên cứu mô phỏng sự chuyển động của giọt chất lỏng trong kênh dẫn micro dưới tác dụng của nguồn nhiệt laser Numerical Study of a Liquid Droplet Movement in a Microchannel under Laser Heat Source Huỳnh Kim Thạch1, Lê Thanh Long1,2,*, , Bùi Trọng Hiếu1 1 Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM, 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, Tp. HCM, Việt Nam2 PTN Trọng điểm Quốc gia về ĐKS và KTHT (DCSELAB), 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, Tp. HCM, Việt Nam Đến Tòa soạn: 13-11-2018; chấp nhận đăng: 27-9-2019 Tóm tắt Trong bài báo này, các phương pháp số được sử dụng để mô phỏng sự di chuyển của giọt chất lỏng trong kênh dẫn micro bởi hiện tượng mao dẫn nhiệt. Nguồn nhiệt từ laser 40 mW được đặt ở vị trí cách vị trí ban đầu của giọt chất lỏng khoảng 1 mm. Để xác định được vị trí chính xác của giọt chất lỏng trong kênh dẫn cũng như quan sát rõ sức căng bề mặt của giọt chất lỏng trong quá trình di chuyển, phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với kỹ thuật định mức (level set technique) giữa hai pha khác nhau đã được sử dụng. Điều kiện biên ở thành trên và bề mặt dưới của kênh dẫn được sử dụng ở nhiệt độ môi trường. Khi nguồn nhiệt từ laser được sử dụng, có một cặp dòng xoáy đối lưu nhiệt xuất hiện bên trong giọt chất lỏng. Chính lực tạo ra bởi cặp dòng xoáy này (lực mao dẫn nhiệt) cùng với lực đẩy do chênh lệch áp suất làm cho giọt chất lỏng di chuyển trong kênh dẫn micro. Kết quả mô phỏng cho thấy sự biến thiên nhiệt độ trong kênh dẫn micro do nguồn nhiệt phát ra từ laser sẽ ảnh hưởng đến tính chất chuyển động của giọt chất lỏng trong kênh dẫn micro. Vận tốc của giọt chất lỏng ban đầu tăng nhanh rồi sau đó giảm dần. Góc tiếp xúc động của giọt chất lỏng chịu ảnh hưởng lớn bởi sự di chuyển của dòng dầu trong kênh dẫn và chênh lệch moment mao dẫn nhiêt trong giọt chất lỏng. Góc tiếp xúc phía trước của giọt chất lỏng luôn luôn lớn hơn góc tiếp xúc phía sau trong quá trình giọt chất lỏng chuyển động trong kênh dẫn micro. Từ khóa: Mô phỏng số, chuyển động mao dẫn nhiệt, sức căng bề mặt, nguồn nhiệt, kênh dẫn micro. Abstract In this study, the numerical methods are used to simulate the liquid droplet migration in a microchannel. 40mW heat source is placed at the distance of 1 mm from the initial position of a water droplet. To determine the exact position of a liquid droplet in a microchannel and clearly observe the surface tension of a droplet during the actuation process, we employed the finite element method with the two-phase level set technique. Both the upper wall and the bottom wall of the microchannel are set to be an ambient temperature. When the heat source is turned on, a pair of asymmetric thermocapillary convection vortices is formed inside the droplet. The thermocapillary force caused by the temperature gradient inside the droplet and the capillary force caused by the pressure gradient drive the droplet to move in a microchannel. The numerical results show the temperature gradient inside a microchannel due to laser heat soure affects the behavior of a droplet movement. The actuation velocity of the water droplet first increases significantly, and then decreases continuously. 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. Keywords: Numerical Simulation, Thermocapillary Migration, Surface Tension, Heat Source, Microchannel.1. Giới thiệu* nghiên cứu sự di chuyển mao dẫn nhiệt của vi chất lỏng trong các thiết bị có kênh dẫn vi lưu thì rất quan Gần đây, các nhà nghiên cứu trên thế giới rất trọng. Một số kết quả nghiên cứu của các nhà khoaquan tâm đến công nghệ vi chất lỏng bởi sự ứng dụng học đã tập trung lý giải cơ chế chuyển động của virộng rãi của nó trong các thiết bị điện tử, vi mạch chất lỏng hoặc hiện tượng biến dạng của giọt chấtLab-on-a Chip, các hệ thống cơ điện Micro-Electro- lỏng trong quá trình di chuyển dưới ảnh hưởng củaMechanical System (MEMS) hoặc sự tổng hợp nhiệt [4-10]. Kết quả nghiên cứu của Brochar ...