Моделирование гидродинамики в испаряющейся из цилиндрической микроячейки жидкости с использованием приближения тонкого слоя и кинематического подхода

Авторы

  • Ирина Васильевна Водолазская Астраханский государственный университет им. В.Н. Татищева https://orcid.org/0000-0003-3739-1191

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.3.31

Ключевые слова:

капля, микроячейка, испарение, теплопроводность, диффузия пара, гидродинамическое течение

Аннотация

Описание испарения со свободной поверхности раствора, находящегося в ячейке, привлекает к себе внимание в связи с появлением новых приложений, например, в дисплеях, работающих на основе органических светодиодов. После полного испарения на подложке остается осадок из частиц, входящих в состав раствора. Геометрия осадка во многом зависит от течений в жидкости. Управлять этими течениями можно с помощью различных факторов, в том числе путем смены растворителя или материала подложки. Представлена физическая модель, позволяющая исследовать в жидкости влияние тепловых эффектов, возникающих за счет ее охлаждения при испарении, на гидродинамические течения при размещении в цилиндрической ячейке микрометрового размера. Модель учитывает зависимость поверхностного натяжения жидкости от температуры и описывает диффузию пара в воздухе, распределение тепла в ячейке и в жидкости за счет теплопроводности, термокапиллярный поток жидкости, движение двухфазной границы жидкость–воздух и компенсационный поток жидкости, образующийся в результате испарения. Математическая формулировка модели базируется на законах сохранения вещества и энергии, уравнении диффузии пара, а также на уравнении динамики жидкости, представляемых в приближении тонкого слоя в комбинации с кинематическим подходом. Результаты расчета скорости течения в этиленгликоле (двухатомном спирте) по выведенной аналитической формуле хорошо согласуются с экспериментальными данными, известными из литературы.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.
Поддерживающие организации
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 22-79-10216), https://rscf.ru/project/22-79-10216.

Библиографические ссылки

Kolegov K.S., Barash L.Yu. Applying droplets and films in evaporative lithography // Adv. Colloid Interface Sci. 2020. Vol. 285. 102271. https://doi.org/10.1016/j.cis.2020.102271

Deegan R.D., Bakajin O., Dupont T.F., Huber G., Nagel S.R., Witten T.A. Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops // Nature. 1997. Vol. 389. P. 827-829. https://doi.org/10.1038/39827

Jiang C., Zhong Z., Liu B., He Z., Zou J., Wang L., Wang J., Peng J., Cao Y. Coffee-ring-free quantum dot thin film using inkjet printing from a mixedsolvent system on modified ZnO transport layer for light-emitting devices // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. Vol. 8. P. 26162-26168. https://doi.org/10.1021/acsami.6b08679

Park Yu., Park Ye., Lee J., Lee C. Simulation for forming uniform inkjet-printed quantum dot layer // J. Appl. Phys. 2019. Vol. 125. 065304. https://doi.org/10.1063/1.5079863

Ristenpart W.D., Kim P.G., Domingues C., Wan J., Stone H.A. Influence of substrate conductivity on circulation reversal in evaporating drops // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99. 234502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.234502

Rieger B., van den Doel L.R., van Vliet L.J. Ring formation in nanoliter cups: Quantitative measurements of flow in micromachined wells // Phys. Rev. E. 2003. Vol. 68. 036312. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.68.036312

Ahn H., Son G. Numerical simulation of liquid film evaporation in circular and square microcavities // Numer. Heat Tran. 2015. Vol. 67. P. 934-951. https://doi.org/10.1080/10407782.2014.949153

D'Ambrosio H.-M., Colosimo T., Duffy B.R., Wilson S.K, Yang L., Bain C.D., Walker D.E. Evaporation of a thin droplet in a shallow well: Theory and experiment // J. Fluid Mech. 2021. Vol. 927, A43. https://doi.org/10.1017/jfm.2021.772

Lindsay S.M., Yin J. Temperature gradients drive radial fluid flow in petri dishes and multiwell plates // AIChE J. 2016. Vol. 62. P. 2227-2233. https://doi.org/10.1002/aic.15194

Колегов К.С. Сравнение квазистационарной и нестационарной математических моделей течений в испаряющейся капле с учетом вязкости // Вестн. Удмуртск. ун-та. Матем. Мех. Компьют. науки. 2014. № 3. С. 110-122. https://doi.org/10.20537/vm140310

Hu H., Larson R.G. Analysis of the effects of Marangoni stresses on the microflow in an evaporating sessile droplet // Langmuir. 2005. Vol. 21. P. 3972-3980. https://doi.org/10.1021/la0475270

Cachile M., Benichou O., Cazabat A.M. Evaporating droplets of completely wetting liquids // Langmuir. 2002. Vol. 18. P. 7985 7990. https://doi.org/10.1021/la020231e

Загрузки

Опубликован

2023-10-21

Выпуск

Раздел

Статьи

Как цитировать

Водолазская, И. В. (2023). Моделирование гидродинамики в испаряющейся из цилиндрической микроячейки жидкости с использованием приближения тонкого слоя и кинематического подхода. Вычислительная механика сплошных сред, 16(3), 368-374. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.3.31