Controlling the Motion of Interfaces in Capillary Channels with Non-uniform Surface Wettability

Mehmet Alptug Boylu; Umut Ceyhan

Makale detayları

Controlling the Motion of Interfaces in Capillary Channels with Non-uniform Surface Wettability

Yazarlar:

Mehmet Alptug Boylu | Umut Ceyhan

Yayıncı:

Dokuz Eylul University

Ana Başlıklar:

Mühendislik | Makine Mühendisliği (Diğer)

Dergi:

Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi Vol.25 Issue 75, pp.675-691

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

9/2023

Belge Dili:

İngilizce

Document ID (Org No.):

2001298689

pISSN:

1302-9304

Anahtar kelimeler:

Özet:

 The use of self-driven flows in microfluidic devices attracts many researchers as the external flow-driving mechanism is diminished or eliminated. One of the mechanisms providing such motions is generating a pressure difference across interfaces as in the case of the motion in capillary tubes. The capillarity, namely, the pressure difference across the interface due to its curvature drives the motion. This pressure depends on the interaction with the capillary walls and is controlled if one varies the surface energy of the walls. In this study, we search for the effects of surface energy on the motion of interfaces in capillary-driven flow. To this end, we model the motion of fluid particles in a capillary channel and integrate the governing equations using the binary lattice Boltzmann method for the two-phase flow. We, first, validate our solver for canonical static and dynamic problems. We, then, discuss two main contributions; we show how to deviate the interface speed from the ones moving in channels with uniform wall energies and discuss the conditions under which such an interface stagnates like a passive valve in a channel. Tuning the wettability of the channel walls, we provide a simple condition for stopping the interface: the summation of the equilibrium contact angles interface make with the channel walls at the bottom and top wall need to satisfy theta_eqtoptheta_eqbot geq pi. Configurations and wetting properties of different wettability regions play major roles together.

 The use of self-driven flows in microfluidic devices attracts many researchers as the external flow-driving mechanism is diminished or eliminated. One of the mechanisms providing such motions is generating a pressure difference across interfaces as in the case of the motion in capillary tubes. The capillarity, namely, the pressure difference across the interface due to its curvature drives the motion. This pressure depends on the interaction with the capillary walls and is controlled if one varies the surface energy of the walls. In this study, we search for the effects of surface energy on the motion of interfaces in capillary-driven flow. To this end, we model the motion of fluid particles in a capillary channel and integrate the governing equations using the binary lattice Boltzmann method for the two-phase flow. We, first, validate our solver for canonical static and dynamic problems. We, then, discuss two main contributions; we show how to deviate the interface speed from the ones moving in channels with uniform wall energies and discuss the conditions under which such an interface stagnates like a passive valve in a channel. Tuning the wettability of the channel walls, we provide a simple condition for stopping the interface: the summation of the equilibrium contact angles interface make with the channel walls at the bottom and top wall need to satisfy theta_eqtoptheta_eqbot geq pi. Configurations and wetting properties of different wettability regions play major roles together.

 The use of self-driven flows in microfluidic devices attracts many researchers as the external flow-driving mechanism is diminished or eliminated. One of the mechanisms providing such motions is generating a pressure difference across interfaces as in the case of the motion in capillary tubes. The capillarity, namely, the pressure difference across the interface due to its curvature drives the motion. This pressure depends on the interaction with the capillary walls and is controlled if one varies the surface energy of the walls. In this study, we search for the effects of surface energy on the motion of interfaces in capillary-driven flow. To this end, we model the motion of fluid particles in a capillary channel and integrate the governing equations using the binary lattice Boltzmann method for the two-phase flow. We, first, validate our solver for canonical static and dynamic problems. We, then, discuss two main contributions; we show how to deviate the interface speed from the ones moving in channels with uniform wall energies and discuss the conditions under which such an interface stagnates like a passive valve in a channel. Tuning the wettability of the channel walls, we provide a simple condition for stopping the interface: the summation of the equilibrium contact angles interface make with the channel walls at the bottom and top wall need to satisfy theta_eqtoptheta_eqbot geq pi. Configurations and wetting properties of different wettability regions play major roles together.

 Mikroakışkan cihazlarda kendinden tahrikli akışların kullanımı, harici akış tahrik mekanizması azaltıldığı veya ortadan kaldırıldığı için birçok araştırmacının ilgisini çekmektedir. Bu tür hareketleri sağlayan mekanizmalardan biri de kılcal borulardaki harekette olduğu gibi arayüzeyler arasında bir basınç farkı oluşturmaktır. Kılcallık, yani giriş boyunca eğriliği nedeniyle oluşan basınç farkı, hareketi yönlendirir. Bu basınç kılcal duvarlarla etkileşime bağlıdır ve duvarların yüzey enerjisi değiştirilerek kontrol edilir. Bu çalışmada, yüzey enerjisinin kılcal tahrikli akıştaki arayüzlerin hareketi üzerindeki etkilerini araştırıyoruz. Bu amaçla, bir kılcal kanaldaki sıvı parçacıklarının hareketini modelliyoruz ve iki fazlı akış için ikili Lattice Boltzmann yöntemini kullanıyoruz. Öncelikle standart statik ve dinamik problemler için çözücümüzü doğruluyoruz. O halde iki ana katkıyı tartışıyoruz; arayüz hızının, tekdüze duvar enerjilerine sahip kanallarda hareket edenlerden nasıl saptırılacağını gösteriyoruz ve böyle bir arayüzün durduğu koşulları bir kanaldaki pasif valf gibi tartışıyoruz. Kanal duvarlarının ıslanabilirliğini ayarlayarak arayüzü durdurmak için basit bir koşul sağlıyoruz: arayüzün alt ve üst duvardaki kanal duvarlarıyla yaptığı denge temas açılarının toplamı theta_eqüsttheta_eqalt geq piyi karşılamalıdır. Farklı ıslanabilirlik bölgelerinin konfigürasyonları ve ıslanma özellikleri birlikte önemli rol oynar.

Makale detayları

Controlling the Motion of Interfaces in Capillary Channels with Non-uniform Surface Wettability

Yazarlar:

Mehmet Alptug Boylu | Umut Ceyhan

Yayıncı:

Dokuz Eylul University

Ana Başlıklar:

Mühendislik | Makine Mühendisliği (Diğer)

Dergi:

Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi Vol.25 Issue 75, pp.675-691

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

9/2023

Belge Dili:

İngilizce

Document ID (Org No.):

2001298689

pISSN:

1302-9304

Capillarity

Wetting

Interfaces

Microfluidics

Lattice Boltzmann MethodKapilarite

Islatma

Arayüzey

Mikroakışkanlar

Lattice Boltzmann Metodu

Sayı

Makale detayları

Yazarlar: Mehmet Alptug Boylu | Umut Ceyhan

Yayıncı: Dokuz Eylul University

Ana Başlıklar: Mühendislik | Makine Mühendisliği (Diğer)

Dergi: Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi Vol.25 Issue 75, pp.675-691

Belge Tipi: Makale

Yayın Tarihi: 9/2023

Belge Dili: İngilizce

Document ID (Org No.): 2001298689

pISSN: 1302-9304

Sayı

Yazarlar:

Mehmet Alptug Boylu | Umut Ceyhan

Yayıncı:

Dokuz Eylul University

Ana Başlıklar:

Mühendislik | Makine Mühendisliği (Diğer)

Dergi:

Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi Vol.25 Issue 75, pp.675-691

Belge Tipi:

Makale

Yayın Tarihi:

9/2023

Belge Dili:

İngilizce

Document ID (Org No.):

2001298689

pISSN:

1302-9304