Chương 1. Tổng quan; Trước khi đi sâu vào phát triển chương trình và mô phỏng động lực học mao dẫn nhiệt của hạt đa thành phần, chương này sẽ trình bày về tình hình nghiên cứu chuyển động của các hạt lưu chất dưới tác động của mao dẫn nhiệt trên thế giới và ở Việt Nam; Chương 2. Xây dựng chương trình mô phỏng chuyển động của hạt lưu chất dưới tác động của mao dẫn nhiệt; Chương này trình bày về chương trình bao gồm các mô đun tương ứng kết hợp với nhau tạo thành một chương trình hoàn chỉnh cho các tính toán mô phỏng và phân tích được trình bày ở các chương sau. Nghiên cứu động lực học biến dạng và tách hạt lưu chất trong môi trường đẳng nhiệt; Trước khi nghiên cứu động lực học của hạt lưu chất, sự hình thành hạt lưu chất cần được nghiên cứu.
Vì vậy, chương này sẽ trả lời câu hỏi “hạt lưu chất đa thành phần được hình thành như thế nào” thông qua nghiên cứu động lực học biến dạng và tách hạt lưu chất của sợi lưu chất khi chưa xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ. Nghiên cứu động lực học mao dẫn nhiệt của hạt lưu chất đa thành phần; Chương này trình bày về kết quả nghiên cứu động lực học mao dẫn nhiệt của hạt lưu chất đa thành phần. Nghiên cứu chuyển động và biến dạng của hạt lưu chất đa thành phần trong ống dẫn thu hẹp dưới tác động của mao dẫn nhiệt; Chương này trình bày về kết quả nghiên cứu chuyển động và biến dạng của hạt lưu chất đa thành phần trong ống dẫn thu hẹp dưới tác động của mao dẫn nhiệt. Kết quả nghiên cứu của chương này sẽ cho thấy sự tương tác và cản trở của ống có hình dạng phức tạp lên chuyển động nhiệt của hạt.
Cuối cùng là phần kết luận trình bày tóm tắt các kết quả đạt được trong luận án và những kiến nghị các vấn đề chưa được nghiên cứu và hướng giải quyết trong nghiên cứu tiếp theo. Một số khái niệm, định nghĩa cơ bản Trước khi đi sâu vào vấn đề tổng quan về hạt lưu chất, một số khái niệm về những đối tượng liên quan đến vấn đề nghiên cứu được định nghĩa như sau: - Lưu chất là một trạng thái vật chất khá phổ biến bao gồm chất lỏng, chất khí hoặc các vật chất khác biến dạng liên tục dưới tác động của ứng suất cắt hoặc ngoại lực. - Sợi lưu chất là một lưu chất ở dạng sợi. Nếu sợi lưu chất có chứa một, hai hoặc nhiều sợi bên trong được gọi là sợi lưu chất đa thành phần.
- Hạt lưu chất đa thành phần là hạt lưu chất chứa một hay nhiều hạt lưu chất khác phân bố rời rạc hoặc đồng tâm như Hình 1. - Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng chất lỏng tự dâng lên cao trong vùng không gian hẹp mà không cần ngoại lực tác động. Hiện tượng có thể quan sát tại các ống tiết diện nhỏ, các rãnh giữa hai tấm kính, giữa các răng bàn chải, … - Hiện tượng mao dẫn nhiệt là hiện tượng hạt lưu chất dịch chuyển khi có tác động của trường nhiệt độ bao quanh, hướng chuyển động của hạt lưu chất ngược với hướng của lưu chất xung quanh (hạt chuyển động từ vùng lạnh sang vùng nóng). Sự chuyển động của hạt lưu chất theo chiều gradient nhiệt độ do sự không đồng nhất của sức căng bề mặt tại biên phân cách dẫn Hình 1.
Các dạng hạt lưu chất 7 đến các ứng suất trượt tác động lên môi trường xung quanh hạt lưu chất bởi lực nhớt gây ra (Hình 1. Ngoài ra, các tham số không thứ nguyên quan trọng ảnh hưởng đến chuyển động của hạt lưu chất, cũng như sự co lại của sợi lưu chất được định nghĩa sau đây. Một số tham số không thứ nguyên khác được nhắc đến khi liên quan đến các bài toán ở các CHƯƠNG 3, CHƯƠNG 4 và CHƯƠNG 5. Các tham số này có thể dễ dàng dẫn xuất thông qua nghiên cứu không thứ nguyên [5] , ví dụ từ phương trình Navier- Stokes hoặc từ các tham số khác [6].
- Số Ohnesorge Oh là một số không thứ nguyên biểu thị mối quan hệ ảnh hưởng giữa lực nhớt với lực quán tính và lực căng bề mặt. - Số Reynolds Re là một số không thứ nguyên biểu thị mối quan hệ ảnh hưởng giữa lực quán tính và lực nhớt bên trong dòng chảy. - Số Marangoni Ma là một số không thứ nguyên biểu thị mối quan hệ ảnh hưởng giữa vận tốc dịch chuyển do dòng Marangoni với vận tốc dịch chuyển của sự khuếch tán. - Số mao dẫn Ca là một số không thứ nguyên biểu thị mối quan hệ ảnh hưởng giữa lực cản nhớt với lực căng bề mặt.
Tổng quan về sự hình thành hạt lưu chất Trong tự nhiên, hạt lưu chất được hình thành bằng cách nhốt các túi khí trong chất lỏng hoặc chất rắn ví dụ như miếng bọt biển tắm hoặc bong bóng trong cốc bia hoặc trong bong bóng xà phòng. Bong bóng xà phòng ban đầu có dạng dài sau đó có dạng hình cầu là do bong bóng có lớp chất lỏng mỏng (sức căng bề mặt) mà ở đó các phần tử dính lại với nhau bởi lực hút. Đó là những hạt lưu chất được hình thành mà Hình 1. Chuyển động của hạt lưu chất từ vùng lạnh (dưới) lên vùng nóng (trên) dưới tác động của mao dẫn nhiệt [7] 8 mắt thường có thể quan sát được.
Và trong ứng dụng thực tế, sự hình thành hạt lưu chất có kích thước cực kỳ nhỏ được ứng dụng trong làm sạch rau, củ, quả thông qua phương pháp sục khí. Ngoài ra, sự hiện diện của hạt lưu chất như hạt nước mưa, hạt sương, … được thấy trong mọi hoạt động của đời sống. Trong nghiên cứu, các hạt lưu chất được sinh ra từ sự phân tách của các sợi và các tia đa thành phần [8]–[10]. Trong quá trình phân tách thành các hạt lưu chất, các sợi lưu chất được hình thành cùng với các hạt lưu chất sơ cấp.
Sự co lại của sợi tạo ra nhiều hạt lưu chất nhỏ hơn và được gọi là hạt lưu chất vệ tinh [11], [12]. Các sợi lưu chất đa thành phần được tạo ra bằng cách kéo căng hạt lưu chất đa thành phần dưới dòng chảy cắt [13]. Sau một thời gian kéo căng nhất định, dòng cắt dừng lại và các sợi lưu chất sẽ co lại do lực căng bề mặt. Sợi lưu chất cũng có thể hình thành khi một hạt lưu chất đa thành phần di chuyển vào một kênh tròn hẹp hơn trong hệ thống vi lỏng.
Do đó, việc hiểu được động lực học sự co lại của sợi lưu chất đa thành phần trở nên cực kỳ quan trọng trong cả học thuật và các quy trình công nghiệp. Đối với sự hình thành hạt lưu chất đơn, một trong những nghiên cứu tiên phong về sự co lại của sợi lưu chất là nghiên cứu của Stone và cộng sự [14]. Bằng phương pháp thực nghiệm, hạt lưu chất bên ngoài được sử dụng để kéo dài sợi lưu chất đến một chiều dài định sẵn. Sau đó, sợi lưu chất được phép tự do co lại dưới tác động của lực căng bề mặt của sợi.
Stone và các cộng sự đã phát hiện ra rằng sợi lưu chất tạo ra sự hình thành hạt lưu chất ở hai đầu của sợi trong quá trình co lại. Sự phân tách thường được gọi là phương thức tách đầu sợi "end-pinching". Dựa vào nghiên cứu của Stone và cộng sự, Schulkes [15] đã mở rộng nghiên cứu về sự co lại của sợi lưu chất trong môi trường thụ động bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Schulkes đã chứng minh rằng khi sợi lưu chất co lại sẽ thúc đẩy phân tách ở mỗi đầu của sợi.
Sử dụng phương pháp chia lưới nâng cao kết hợp với thuật toán phần tử hữu hạn, Notz và Basaran [12] phát hiện ra rằng sợi lưu chất co lại thành một hình cầu và phân tách thông qua phương thức tách ở hai đầu của sợi lưu chất như Hình 1. Hoặc phân tách liên quan đến các dao động phức tạp, tùy thuộc vào tỷ số giữa chiều dài sợi lưu chất và bán kính của sợi tại thời điểm bắt đầu quá trình co lại. Tỷ số này được gọi là tỷ số hình dạng ban đầu. Một tham số quan trọng khác góp phần vào động lực co lại của sợi lưu chất là số Ohnesorge (là một số không thứ nguyên liên quan tới lực 9 Hình 1.
(a) Sợi lưu chất co lại thành hạt lưu chất hình cầu. Do đó, Notz và Basaran [12] đã đề xuất một biểu đồ pha biểu thị kết quả của sự co lại dựa trên tỷ số hình dạng và số Ohnesorge. Sự co lại của sợi nhớt đã được nghiên cứu bằng thực nghiệm thông qua một loạt các Số Ohnesorge và tỷ số hình dạng [16]. Castrejon-Pita và cộng sự đã [16] chứng minh rằng sợi lưu chất co lại thành một hạt lưu chất mà không bị phân tách nếu như lưu chất của sợi có độ nhớt cao hoặc sợi lưu chất có tỷ số hình dạng nhỏ.
Hoepffner và Paré [17] đã kết hợp cả mô phỏng và thí nghiệm và phát hiện ra rằng vòng xoáy được tạo ra bên trong các giọt nước đóng một vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sự phân tách của sợi lưu chất. Gần đây hơn, một sơ đồ hoàn chỉnh về sự phân tách và không bị phân tách của sợi lưu chất thông qua mô phỏng số đã được cung cấp bởi Anthony và cộng sự [11]. Biểu đồ này dựa trên đặc tính lưu chất và tỷ số hình dạng. Sự co lại của các sợi lưu chất có thể được tìm thấy trong một số nghiên cứu khác như, Cuellar và cộng sự [18], Contò và cộng sự [19], Driessen và cộng sự [20], Dziedzic và cộng sự [21], Pierson và cộng sự [22], Wang và cộng sự [23] và Yang và cộng sự [24].
Tuy nhiên, các nghiên cứu được đề cập ở trên chỉ giới hạn ở dạng sợi lưu chất một pha, tức là dạng sợi đơn. 10 Đối với sự hình thành hạt lưu chất đa thành phần, một trong những nghiên cứu tiên phong về sự phân tách tia lưu chất đa thành phần là của Hertz và Hermanrud [9]. Tia lưu chất được tạo ra bằng cách đưa một tia lưu chất đơn vào một lưu chất khác để tạo thành một tia lưu chất bên ngoài. Tia lưu chất đa thành phần này phân tách thành các hạt lưu chất do sức căng bề mặt tác động lên cả bề mặt bên trong và bên ngoài của tia lưu chất đa thành phần.
Theo sau Hertz và Hermanrud [9], đã có một số nghiên cứu thực nghiệm về sự phân tách của tia lưu chất đa thành phần.