Nghiên cứu sự dịch chuyển của lưu chất trong kênh dẫn bởi ảnh hưởng của nguồn nhiệt Laser

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH KIM THẠCH NGHIÊN CỨU SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA LƯU CHẤT ■• TRONG KÊNH DẪN BỞI ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN NHIỆT LASER Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học 1: TS Lê Thanh Long Cán hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Bùi Trọng Hiếu Cán chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Trần Phú Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Thanh Hải Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Trần Doãn Son (CT) TS Nguyễn Trần Phú (PB1) TS Nguyễn Thanh Hải (PB2) PGS.TS.Lê VănSỹ (UV) TS Trưong Quốc Thanh (TK) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyển ngành sau luận văn sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỊNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ •••• Họ tên học viên: HUỲNH KIM THẠCH MSHV: 1770662 Ngày, tháng, năm sinh: 02/01/1994 Nơi sinh: Khánh Hòa Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 60520103 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu dịch chuyển lưu chất kênh dẫn ảnh hưởng nguồn nhiệt Laser II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nội dung sử dụng phương pháp số để nghiên cứu tính chất dịch chuyển mao dẫn nhiệt giọt chất lỏng kênh dẫn biến thiên nhiệt độ gây Các nhiệm vụ cần hồn thành: - Tìm hiểu tổng quan lĩnh vực động lực học dòng chảy kênh dẫn - Mơ tả vấn đề vật lý, điều kiện biên mô hình phương pháp số - Giải thích tính chất chuyển động giọt chất lỏng kênh dẫn - Nghiên cứu ảnh hưởng công suất nguồn nhiệt đến tính chất dịch chuyển mao dẫn nhiệt giọt chất lỏng kênh dẫn III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/02/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019 V CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: CBHD1: TS Lê Thanh Long CBHD2: PGS TS Bùi Trọng Hiếu CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) Tp HCM, ngày tháng năm 2019 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ vào trang tập thuyết minh LV LỜI CẢM ƠN Khơng có thành cơng mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp ngưòi khác Trong suốt thòi gian từ bắt đầu học tập trường đến nay, nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ quý Thầy Cơ, gia đình bạn bè, để tơi hồn thành tốt mơn học chưcmg trình đào tạo trường, từ tạo nên tiền đề tâm lý, động lực kiến thức để tơi hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Với lòng biết on sâu sắc nhất, tơi xin cảm on thầy Lê Thanh Long thầy Bùi Trọng Hiếu tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn Những định hướng, hướng dẫn thầy thật quan trọng tôi, luận văn mà đường nghiên cứu khoa học sau Hcm nữa, xin gửi lời cảm cm chân thành đến Phòng Thí Nghiệm (PTN) Trọng điểm Quốc gia ĐKS KTHT (DCSELAB) tạo điều kiện để thực luận văn PTN tạo điều kiện khơng gian nghiên cứu, mà sở vật chất máy móc cần thiết để tơi thuận lợi suốt q trình làm luận văn Cuối cùng, lời cảm ơn đặc biệt đến gia đĩnh - cha mẹ bên cạnh khích lệ chia sẻ khó khăn, cảm ơn tất thầy ngưòi bạn thân mến đồng hành TP.HCM, tháng 07 năm 2019 Huỳnh Kim Thạch TÓM TẮT Trong báo này, sử dụng phưcmg pháp số để mô di chuyển lưu chất lỏng kênh dẫn vi lưu tượng mao dẫn nhiệt Nguồn nhiệt từ laser 40 mW đặt vị trí cách vị trí ban đầu giọt chất lỏng khoảng mm Đe xác định vị trí xác giọt chất lỏng kênh dẫn quan sát rõ sức căng bề mặt chất lỏng trình di chuyển, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với kỹ thuật định mức hai pha khác Điều kiện biên thành bề mặt dưói kênh dẫn sử dụng nhiệt độ môi trường Khi nguồn nhiệt từ laser sử dụng, ta thấy có cặp dòng xốy đối lưu nhiệt xuất bên giọt chất lỏng lực tạo cặp dòng xoáy (lực mao dẫn nhiệt) với lực đẩy chênh lệch áp suất làm cho chất lỏng di chuyển kênh dẫn vi lưu Kết mô cho thấy biến thiên nhiệt độ kênh dẫn vi lưu nguồn nhiệt phát từ laser ảnh hưởng đến tính chất chuyển động giọt chất lỏng kênh dẫn vi lưu Chất lỏng ban đầu di chuyển nhanh sau giảm dần vận tốc Góc tiếp xúc động giọt chất lỏng chịu ảnh hưởng lớn di chuyển dòng dầu kênh dẫn chênh lệch moment mao dẫn nhiêt giọt chất lỏng Góc tiếp xúc phía trước giọt chất lỏng ln ln lớn góc tiếp xúc phía sau trình giọt chất lỏng chuyển động kênh dẫn vi lưu Khơng dừng lại đó, nguồn nhiệt có cơng suất lớn - 53 mW sử dụng để khảo sát so sánh ảnh hưởng nguồn nhiệt có cơng suất khác đến tính chất chuyển động giọt chất lỏng kênh dẫn vi lưu Từ khóa: Mơ số, chuyển động mao dẫn nhiệt, sức căng bề mặt, nguồn nhiệt, kênh dẫn vi lưu ABSTRACT In this study, the numerical computation is used to investigate the transient thermocapillary migration of a water droplet in a MicroChannel 40mW heat source is placed at the distance of mm from the initial position of a water droplet For tracking the evolution of the free interface between two immiscible fluids as well as the surface tension of the doplet during movement, we employed the finite element method with the twophase level set technique Both the upper wall and the bottom wall of the 11 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 and the the force generated by these vortices (thermalcapillary force) along with the repulsive force due to the pressure difference makes the fluid move in the microchannel The temperature gradient inside the microchannel due to the heatsource generated by the laser impacts on the migration droplet 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 actuation process Not only that, the larger heat source - 53 mW is used to survey and compare the effect of heat sources with different capacities on the migration properties of liquid droplets in the microchannel Keywords: Numerical simulation, thermocapillary migration, surface tension, heat source, microchannel Ill LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu dịch chuyển luu chất kênh dẫn ảnh huởng nguồn nhiệt laser” cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu tài liệu luận văn trung thực chua đuợc cơng bố cơng trình nghiên cứu Tất tài liệu tham khảo kế thừa đuợc trích dẫn tham chiếu đầy đủ TP.HCM, tháng 07 năm 2019 Huỳnh Kim Thạch IV MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC V DANH SÁCH HÌNH VẼ viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU X KÝ HIỆU xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giói thiệu chung chuyển động lưu chất kênh dẫn 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 2: SỞ LÝ LUẬN 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Cơ sở vật lý chuyển động lưu chất 2.1.2 Hiện tượng đối lưu mao dẫn nhiệt .10 2.1.3 Đường tiếp xúc động 11 2.1.4 Hiện tượng thấm ướt 12 2.1.5 Nhóm khơng thứ nguyên 15 2.2 Tình hình nghiên cứu 16 2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết thí nghiệm thực tiễn chuyển động chất lỏng kênh dẫn 16 2.2.2 Tính tốn số học chuyển động chất lỏng kênh dẫn 24 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH VẬT LÝ VÀ PHƯƠNG PHÁP SÓ 25 3.1 Mơ hình vật lý 25 V 3.2 Phương pháp số 29 3.2.1 Phương pháp bảo toàn định mức (CLS) 30 3.2.2 Phương pháp Lagrangian - Eulerian (ALE) 31 3.2.3 Phương pháp lực căng bề mặt liên tục (CSF) 31 3.3 Quy trình tính tốn 32 3.4 Tiêu chuẩn kích cỡ lưới điều kiện hội tụ 34 3.4.1 Mơ hình lưới 34 3.4.2 Điều kiện hội tụ 35 CHƯƠNG 4: CHUYỂN ĐỘNG MAO DẪN NHIỆT CỦA GIỌT CHẤT LỎNG TRONG KÊNH DẪN DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN NHIỆT LASER 36 4.1 Cơ chế chuyển động giọt chất lỏng kênh dẫn 36 4.2 Sự thay đổi biến thiên nhiệt độ giọt chất lỏng kênh dẫn 38 4.3 Sự thay đổi áp suất góc tiếp xúc giọt chất lỏng kênh dẫn 39 4.4 So sánh vói kết thực nghiệm 41 CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN NHIỆT LÊN CHUYỂN ĐỘNG MAO DẪN NHIỆT CỦA CHẤT LỎNG 42 5.1 Cơ chế chuyển động chất lỏng ảnh hưởng nguồn nhiệt khác 42 5.2 Sự thay đổi biến thiên nhiệt độ, áp suất góc tiếp xúc chất lỏng kênh dẫn 44 5.3 Sự ảnh hưởng công cuất nguồn nhiệt đến vị trí vận tốc giọt chất lỏng kênh dẫn 46 5.4 Tiểu kết 47 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÉN 48 vi 6.1 Kết luận 48 6.2 Hướng phát triển đề tài 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 54 Phụ lục 1: Cách xác định thông số giọt chất lỏng 54 Phụ lục 2: Tính tốn thể tích giọt chất lỏng 56 Phụ lục 3: Bài báo xuất Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 58 VII NGHIÊN CỬU Sự DỊCH CHUYỂN CỦA LUU CHẮT TRONG GVHD1: TS LÊ THANH LONG KÊNH DẪN BỞI ẢNH HUỞNG CỦA NGUỒN NHIỆT LASER GVHD2: PGS.TS.BÙI TRỌNG HIỂU lệch áp suất phía sau nhỏ độ lớn chênh lệch áp suất phía trước Bỏd ỠA > 90° > ỠR Ơ A > Ơ R dẫn đến ơAcosOA - ơRcosOR