phần MỞ ĐẦU, tương tác của hạt chất lỏng với bề mặt rắn được chia thành hai loại sau: - Tương tác dưới dạng cản trở. - Tương tác dạng trực tiếp.3 Khái niệm góc giãn ra và góc co lại. a) Góc giãn ra qA. b) Góc co lại qR Các nghiên cứu đã được thực hiện về hai loại tương tác này được trình bày ở mục sau.
Tương tác dạng cản trở Nghiên cứu lý thuyết: Bretherton [16] đã nghiên cứu chuyển động của hạt bong bóng bên trong một ống dẫn thẳng. Tác giả đã đưa ra công thức xác định chiều dày nhỏ nhất của lớp chất lỏng giữa hạt bong bóng và thành của ống mao dẫn (W) được xác định bằng công thức sau: W =1,29(3mU / s ) 2/3 (1.1) Trong đó, U là tốc độ trong bình của hạt bong bóng; m và s lần lượt là độ nhớt và sức căng bề mặt của hạt bong bóng. Tuy nhiên, công thức này chỉ đúng khi mU/s < 0,003. Trong khi đó, Schwartz và cộng sự [17] đưa ra công thức sau: Hình 1.4 Chuyển động của hạt chất lỏng trên bề mặt rắn [15].
Nhiệt độ cao hơn nằm bên trái của khung hình còn nhiệt độ thấp hơn nằm ở bên phải khung hình 7 0,643 W= (3Ca) 2/3 (1.2) k Trong đó, số mao dẫn Ca = mU/s, độ cong k = 1/R với R là bán kính của hạt bong bóng. Công thức này đúng với giá trị Ca từ 10-7 đến 10-4. Nghiên cứu thực nghiệm: Olbricht và Kung [18] đã tiến hành thực nghiệm về chuyển động của hạt chất lỏng đơn lớp bên trong ống mao dẫn hình trụ tròn. Nhóm tác giả đã quan sát thấy rằng bề mặt phía sau của hạt chất lỏng bị lõm khi số mao dẫn Ca = 0,277.
Mức độ lõm tăng khi tăng giá trị Ca. Hạt chất lỏng bị tách thành các hạt nhỏ hơn khi Ca = 4,08, tỷ số độ nhớt giữa hạt chất lỏng và chất lỏng trung gian k = 0,0013, và tỷ số bán kính giữa hạt chất lỏng và bán kính ống mao dẫn l = 1,13. Khi giảm độ nhớt của hạt chất lỏng (giảm k), hạt chất lỏng bị tách với giá trị Ca nhỏ hơn. Khi hạt chất lỏng có kích thước nhỏ hơn (giảm l), hạt chất lỏng bị tách với giá trị Ca lớn hơn.
He và cộng sự [19] đã nghiên cứu chuyển động của hạt chất lỏng qua kênh nối (Hình 1. Nhóm tác giả đã thấy rằng hạt chất lỏng có thể di chuyển qua kênh nối hoặc bị tắc ở phía trước của kênh nối (ở Hình 1.5f, hạt chất lỏng có kích thước nhỏ di chuyển qua kênh nối với lưu lượng là 1,7 microlít/phút). Liu và cộng sự [20] đã tiến hành thực nghiệm và mô phỏng chuyển động của hạt chất lỏng trong kênh dẫn có phần thu hẹp và mở rộng liên tiếp nhau (Hình 1. Nhóm tác giả đã cho thấy rằng hạt chất lỏng di chuyển theo hướng mở rộng tạo ra độ chênh áp suất lớn hơn khi hạt chất lỏng di chuyển theo hướng ngược lại.
Nghiên cứu mô phỏng: Tsai và cộng sự [21] đã nghiên cứu chuyển động của hạt chất lỏng đơn bên trong ống mao dẫn thắt lại có dạng hình sin. Nhóm tác giả đã Hình 1.5 Chuyển động của hạt chất lỏng trong kênh nối [20] 8 Hình 1.6 Kênh dẫn có phần thu hẹp và mở rộng liên tiếp nhau [20] thấy rằng khi tỷ số độ nhớt giữa hạt chất lỏng và chất lỏng môi trường nhỏ (l < 0,01), số mao dẫn Ca = 0,1, và tỷ số bán kính giữa bán kính hạt chất lỏng và bán kính ống mao dẫn a = 0,9, hạt chất lỏng có xu hướng tách thành các hạt chất lỏng có kích thước nhỏ hơn khi hạt di chuyển qua phần thắt lại. Với tỷ số độ nhớt lớn hơn, hạt chất lỏng có thể giữ nguyên hình dạng. Nath và cộng sự [22] đã nghiên cứu chuyển động của hạt chất lỏng trong ống dẫn thẳng với dòng chảy nhớt.
Nhóm tác giả đã thấy rằng khi số mao dẫn có giá trị gần bằng một (Ca ~1), bề mặt phía sau của hạt chất lỏng bị lõm. Ngoài ra, khi tăng tỷ số độ nhớt của hạt chất lỏng và chất lỏng bên ngoài, hạt chất lỏng dễ dàng tách thành nhiều hạt chất lỏng nhỏ hơn. Tuy nhiên, sau đó chúng có thể hợp lại thành hạt chất lỏng đơn lớp hoặc hạt chất lỏng đa lớp (Hình 1. Đối với hạt chất lỏng nhiều lớp (hai lớp), Borthakur và cộng sự [23] đã nghiên cứu động lực học của hạt chất lỏng hai lớp bên trong ống mao dẫn thẳng.
Nhóm tác giả đã thấy rằng số mao dẫn Ca có ảnh hưởng lớn đến độ biến dạng cũng như độ lệch tâm của các hạt chất lỏng. Khi tăng giá trị của Ca, hạt chất lỏng bên trong và bên ngoài bị biến dạng nhiều hơn. Tuy nhiên, độ lệch tâm của hạt chất lỏng bên trong và bên ngoài ít thay đổi. Ngoài ra, nhóm tác giả cũng đã đưa ra hiện tượng hạt chất lỏng bên trong phá vỡ hạt chất lỏng bên ngoài (Hình 1.
Vu và cộng sự [24] nghiên cứu chuyển động của hạt chất lỏng đa lớp trong một ống mao dẫn hình côn. Nhóm tác giả đã thấy rằng hạt chất lỏng bên trong bị tách thành nhiều hạt chất lỏng nhỏ hơn do tác động từ biến dạng của hạt chất lỏng bên ngoài. Hạt chất lỏng bên trong dễ dàng bị tách hơn khi được đặt gần với bề mặt phía trước của hạt chất lỏng bên ngoài.7 Hạt chất lỏng tách thành nhiều hạt chất lỏng nhỏ hơn và sau đó hợp lại [22] 1. Tương tác dạng trực tiếp Nghiên cứu lý thuyết: các nghiên cứu lý thuyết về chuyển động của hạt chất lỏng trên bề mặt rắn dưới tác động của mao dẫn nhiệt thường sử dụng thuyết bôi trơn.
Vì vậy, góc tiếp xúc tĩnh của hạt chất lỏng và bề mặt rắn có giá trị nhỏ (nhỏ hơn 45°). Ford và Nadim [25] đã sử dụng điều kiện biên trượt để xử lý tương tác giữa hạt chất lỏng và bề mặt rắn. Nhóm tác giả đã đưa ra công thức xác định vận tốc theo phương ngang u của hạt chất lỏng như sau: ¶u u =U + b (1.3) ¶y Trong đó, U là tốc độ của hạt chất lỏng, b là hệ số trượt. Tốc độ của hạt chất lỏng được xác định như sau: s T G s T Gb s B cos(q B ) - s Acos(q A ) U= + - (1.8 Sự tách hạt của hạt chất lỏng bên ngoài [23] 10 Trong đó, G là trường nhiệt độ dọc theo bề mặt rắn; m là độ nhớt của hạt chất lỏng; σT là hệ số sức căng bề mặt thay đổi theo nhiệt độ; 2l là chiều dài của bề mặt rắn; q là góc tiếp xúc; s là hệ số sức căng bề mặt; chỉ số dưới A và B lần lượt kí hiệu cho bên có nhiệt độ thấp hơn và bên có nhiệt độ cao hơn.
Tham số J được xác định như sau: l 1 dx J= ò 2l - l h( x) + 3b (1.5) Trong đó, h(x) là chiều cao của hạt chất lỏng. Các nghiên cứu thực nghiệm, Dai và cộng sự [26] đã nghiên cứu chuyển động của hạt dầu hỏa trên bề mặt rắn mịn. Nguồn nhiệt độ lạnh được duy trì ở 0 °C, nguồn nhiệt cao hơn thay đổi từ 30 °C đến 140 °C. Nhóm tác giả đã thấy rằng khi di chuyển từ nguồn nhiệt lớn hơn đến nguồn nhiệt nhỏ hơn, hạt chất lỏng bị giãn ra, sau đó co lại (Hình 1.
Vận tốc của hạt chất lỏng lớn nhất ở thời điểm đầu, giá trị này giảm dần và ổn định. Dai và cộng sự [27] đã đánh giá ảnh hưởng của các rãnh vuông góc và song song trên bề mặt rắn tới chuyển động của hạt dầu hỏa (Hình 1. Nhóm tác giả đã thấy rằng sự xuất hiện của các rãnh trên bề mặt rắn không làm thay đổi hướng chuyển động của hạt chất lỏng. Tuy nhiên, đối với rãnh có hướng vuông góc, hạt chất lỏng không co lại sau khi giãn ra (Hình 1.
Đối với các rãnh có hướng song song, hạt chất lỏng ít bị giãn ra hơn so với trường hợp bề mặt rắn mịn (Hình 1.9 Chuyển động mao dẫn nhiệt của hạt dầu hỏa trên bề mặt rắn mịn.9a,b,c, d và e thể hiện hình dạng của hạt chất lỏng tại các thời điểm khác nhau [26] 11 Hình 1.10 Chuyển động của hạt dầu hỏa trên các bề mặt rắn khác nhau. a) Bề mặt rắn phẳng. b) Bề mặt rắn có rãnh song song. c) Bề mặt rắn có rãnh vuông góc.
Trường nhiệt độ đặt vào có giá trị là 3°C/mm [27] Jiao và cộng sự [28] đã nghiên cứu chuyển động mao dẫn nhiệt của một hạt chất lỏng ở giữa hai tấm phẳng. Các nguồn nhiệt được đặt tại bốn phía của hạt chất lỏng. Nhóm tác giả đã kết luận rằng hạt chất lỏng có thể được di chuyển đến bất kì vị trí mong muốn nào ở giữa hai tấm phẳng bằng việc điều chỉnh tương ứng các nguồn nhiệt. Các nghiên cứu mô phỏng: Nguyen và cộng sự [29] đã mô phỏng chuyển động mao dẫn nhiệt của một hạt chất lỏng trên bề mặt rắn, góc tiếp tĩnh được giới hạn bằng 100°.
Nhóm tác giả cho thấy rằng khi góc tiếp xúc tĩnh nhỏ hơn 90°, hướng chuyển động của hạt chất lỏng phụ thuộc vào độ lớn của hai xoáy xuất hiện bên trong hạt chất lỏng. Sự chênh lệch độ lớn của hai xoáy này gây ra chuyển động sang phía có nhiệt độ thấp hơn của hạt chất lỏng. Tương tự với thực nghiệm [26], vận tốc của hạt chất lỏng tăng nhanh tại thời điểm đầu, sau đó giảm dần và đạt giá trị ổn định. Mở rộng thêm nghiên cứu của Nguyen và cộng sự [29], Le và cộng sự [30] đã đưa thêm nhiệt độ không đổi ở biên phía trên của miền tính toán (Hình 1.
Nhóm tác giả đã thấy rằng độ lớn của lực mao dẫn nhiệt giảm do tác động của nhiệt độ được thêm vào. Điều này dẫn đến hạt chất lỏng dừng lại ở một vị trí nào đó trên bề mặt rắn. Nguyen và cộng sự [31] đã tăng kích thước của hạt chất lỏng so với nghiên cứu trước đó [29]. Nhóm tác giả đã thấy rằng khi chiều dài L của hạt chất lỏng nằm trong khoảng từ 2 đến 3,4 mm, lực nổi có tác động làm giảm vận tốc chuyển động của hạt chất lỏng.
Khi tăng chiều dài của hạt chất lỏng (lên đến 6 milimét), vận tốc của hạt chất lỏng giảm nhanh hơn và đạt giá trị xấp xỉ bằng không khi giá trị L = 6 12 Hình 1.11 Chuyển động mao dẫn nhiệt của hạt chất lỏng trên bề mặt rắn, trường nhiệt độ không đổi được đặt ở biên phía trên của miền tính toán [30] mm.