Nghiên cứu mô phỏng sự dịch chuyển mao dẫn nhiệt thuận và nghịch của giọt lưu chất trong vi kênh

Trong bài viết này, sự dịch chuyển mao dẫn nhiệt thuận và nghịch của lưu chất trong kênh dẫn micro (vi kênh) được nghiên cứu bằng phương pháp số. Cả hai biên trên và dưới của vi kênh được thiết lập bằng nhiệt độ môi trường. Hai nguồn nhiệt laser hoạt động theo chu kỳ với công suất 40 mW được đặt bên trái và bên phải của giọt chất lỏng trong vi kênh.

Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(4):500-507 Bài nghiên cứu Open Access Full Text Article Nghiên cứu mô dịch chuyển mao dẫn nhiệt thuận nghịch giọt lưu chất vi kênh Nguyễn Hữu Khương1,2 , Lê Thanh Long1,2,3,* TÓM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Trong báo này, dịch chuyển mao dẫn nhiệt thuận nghịch lưu chất kênh dẫn micro (vi kênh) nghiên cứu phương pháp số Cả hai biên vi kênh thiết lập nhiệt độ môi trường Hai nguồn nhiệt laser hoạt động theo chu kỳ với công suất 40 mW đặt bên trái bên phải giọt chất lỏng vi kênh Khi nguồn nhiệt laser sử dụng, có cặp dịng xoáy đối lưu nhiệt xuất bên giọt chất lỏng Những đường đẳng nhiệt bên giọt chất lỏng bị uốn cong mạnh đối lưu mao dẫn nhiệt gây Sự dịch chuyển mao dẫn nhiệt thuận nghịch gây độ biến thiên động lượng mao dẫn nhiệt làm cho giọt chất lỏng dịch chuyển từ vùng nhiệt độ cao vi kênh đến vùng nhiệt độ thấp Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt phân cách phía nguồn nhiệt hoạt động ln ln nhỏ phía khơng có nguồn nhiệt hoạt động Vận tốc giọt chất lỏng ban đầu tăng nhanh sau giảm dần giai đoạn nguồn nhiệt hoạt động Góc tiếp xúc động giọt nước chịu ảnh hưởng lớn dịch chuyển thuận nghịch dòng dầu độ biến thiên động lượng mao dẫn nhiệt bên giọt chất lỏng Góc tiếp xúc động thay đổi chênh lệch áp suất tác dụng lên bề mặt phân cách hai lưu chất suốt q trình chuyển động Từ khố: Mơ số, chuyển động mao dẫn nhiệt, sức căng bề mặt, vi kênh Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, Việt Nam Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam PTN Trọng điểm ĐKS KTHT (DCSELab), Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, Việt Nam Liên hệ Lê Thanh Long, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, Việt Nam Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam PTN Trọng điểm ĐKS KTHT (DCSELab), Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, Việt Nam Email: ltlong@hcmut.edu.vn Lịch sử • Ngày nhận: 04-8-2020 • Ngày chấp nhận: 07-12-2020 • Ngày đăng: 31-12-2020 DOI : 10.32508/stdjet.v3i4.753 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license GIỚI THIỆU Gần đây, công nghệ vi lưu phát triển mạnh ứng dụng đa dạng thiết bị điện tử, vi mạch Lab-on-a Chip (LOC), hệ thống điện Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) lĩnh vực tổng hợp protein phục vụ y học 1–3 Do đó, việc nghiên cứu dịch chuyển mao dẫn nhiệt lưu chất thiết bị sử dụng vi kênh có ý nghĩa quan trọng Một số nghiên cứu khoa học lý giải chế chuyển động lưu chất vi kênh tượng biến dạng giọt chất lỏng q trình chuyển động vi kênh ảnh hưởng nhiệt 4–8 Kết nghiên cứu Brochard cho thấy góc tiếp xúc giọt chất lỏng trạng thái cân bằng, góc tiếp xúc tĩnh, thay đổi thành góc tiếp xúc động giọt chất lỏng di chuyển bề mặt rắn biến thiên nhiệt độ gây Sự chênh lệch góc tiếp xúc trước sau chịu ảnh hưởng lớn biến thiên nhiệt độ hai bên giọt chất lỏng Ford Nadim sử dụng lý thuyết điều kiện trượt để nghiên cứu vận tốc chuyển động giọt chất lỏng đặt bề mặt rắn Kết nghiên cứu họ độ dài trượt lưu chất ảnh hưởng lớn đường tiếp xúc động Các kết mô Le nhóm nghiên cứu 6–8 cho thấy chuyển động giọt chất lỏng vi kênh hay ống mao dẫn biến thiên nhiệt độ từ hai phía giọt chất lỏng gây lực mao dẫn nhiệt áp lực chênh lệch áp suất vi kênh hay ống mao dẫn tác động vào giọt chất lỏng làm cho di chuyển Đối với ứng dụng thiết bị điện tử LOC, giọt chất lỏng vi kênh điều khiển hướng di chuyển cách linh hoạt Vicent làm thực nghiệm để nghiên cứu ứng suất mao dẫn nhiệt bề mặt phân cách giọt chất lỏng di chuyển kênh dẫn nguồn nhiệt từ laser tạo nên Kết thực nghiệm cho thấy giọt chất lỏng di chuyển kênh dẫn thay đổi theo hướng di chuyển phân loại rõ ràng nguồn nhiệt laser Do đó, sử dụng nguồn nhiệt laser hoạt động theo chu kỳ để thay đổi chênh lệch nhiệt độ kênh dẫn ý tưởng điều khiển lưu chất chuyển động kênh dẫn hiệu so với cách dùng bề mặt rắn biến thiên nhiệt độ nghiên cứu trước 6–8 Ngoài ra, việc sử dụng phương pháp số để nghiên cứu dịch chuyển mao dẫn nhiệt thuận nghịch lưu chất vi kênh kiểm chứng thực nghiệm chưa nghiên cứu hoàn chỉnh Trong nghiên cứu này, phương pháp số nghiên cứu trước Le 6–8 phần mềm Comsol Multiphysics sử dụng để mô chuyển Trích dẫn báo này: Khương N H, Long L T Nghiên cứu mô dịch chuyển mao dẫn nhiệt thuận nghịch giọt lưu chất vi kênh Sci Tech Dev J - Eng Tech.; 3(4):500-507 500 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(4):500-507 động động thuận nghịch giọt chất lỏng vi kênh tác dụng nguồn nhiệt phát từ laser Phương pháp bảo toàn định mức kỹ thuật Lagrangian – Eulerian (ALE) dựa tảng phần tử hữu hạn sử dụng để xác định vị trí quãng đường dịch chuyển giọt chất lỏng vi kênh tác dụng nguồn nhiệt laser MƠ HÌNH VẬT LÝ VÀ PHƯƠNG PHÁP SỐ Mơ hình vật lý Mơ hình nghiên cứu vi kênh có tiết diện H x W Bên có đặt giọt nước có dạng nửa hình cầu với góc tiếp xúc θ , chiều cao lớn hm , chiều dài giọt chất lỏng L (Hình 1) Cả nhiệt độ biên biên mơ hình nhiệt độ mơi trường Biên dạng bề mặt giọt nước mô tả phương trình z = S(x) Ở bỏ qua ảnh hưởng trọng lượng giọt chất lỏng kích thước giọt chất lỏng nhỏ Tính chất vật lý nước dung môi Hexadecane (dầu) mơ tả Bảng Bảng 1: Tính chất vật lý nước dung môi Hexadecane (dầu) nhiệt độ 298K 10 Tham số Nước Dầu (C16 H34 ) ρ 998,23 775 (kg/m3 ) γ T (mN/m.K) 9×10−4 0,003 α 1,458×10−7 3,976×10−7 k (W/m.K) 0,6084 0,154 CP (J/kg.K) 4181,3 499,72 Để đơn giản tốn, phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng lượng lưu chất Newton không nén (nước dầu) viết lại hệ tọa độ Oxz sau: [ ] ∂ ρi ∂u ∂v + ρi + = 0, (1) ∂t ∂x ∂z i [ ] ∂v ∂v ∂v +u +v ∂t ∂x [ ∂z i ] ∂p ∂ 2v ∂ 2v =− + µi + + Fz , ∂z ∂ x ∂ z2 i 501 ] ∂v ∂v ∂v +u +v ∂t ∂x [ ∂z i ] ∂p ∂ 2v ∂ 2v =− + µi + + Fz , ∂z ∂ x ∂ z2 i (2) [ ρi (4) ui vi vận tốc lưu chất theo phương x z; p áp suất ρ i khối lượng riêng lưu chất; µ i độ nhớt lưu chất; CPi nhiệt dung riêng; ki độ dẫn nhiệt; T nhiệt độ Ký tự i = “w” i = “o” để nước dầu Fx Fz lực căng bề mặt theo phương x z Qs nguồn nhiệt laser Hai nguồn nhiệt hoạt động theo chu kỳ bố trí phía trước phía sau giọt chất lỏng thỏa mãn theo quy luật sau:    Q1 , < t∗ ≤ ; Q1n =   0, ≤ t∗ <  (5)   0, < t∗ ≤ Q2n =   Q2 , ≤ t∗ < t thời gian không thứ nguyên, t∗ = (2n−1)t H n số chu kỳ, tH thời gian chu kỳ Hàm bậc thang hai nguồn nhiệt biểu diễn Hình 0,06 µ (Pa.s) ρi ] ∂T ∂T ∂T +u +v ∂[t ∂x ]∂ z i ∂ 2T ∂ 2T + + Qs , = ki ∂ x2 ∂z i 52,5×10−3 σ (N/m) (m2 /s) [ ρiCPi (3) Hình 2: Biểu đồ hàm bậc thang hai nguồn nhiệt Phương pháp xác định lực căng bề mặt giọt chất lỏng Brackbill 11 sử dụng để giải ứng suất căng bề mặt Trong phương pháp này, lực căng bề mặt xác định là: F = σ κδ n, (6) σ sức căng bề mặt; δ hàm Dirac delta; n vector pháp tuyến bề mặt; κ biên dạng bề mặt Ở đây, sức căng bề mặt hàm tuyến tính theo nhiệt độ 12 : σ = σre f − γT (T − Tre f ), (7) Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Cơng nghệ, 3(4):500-507 Hình 1: Mơ hình vật lý vi kênh có chứa giọt nước Giá trị hàm định mức mặt phân cách hai pha nước – dầu 0,5 Giá trị hàm định mức dầu (miền Ω1 ) nước (miền Ω2 ) 0,5 < Φ ≤ ≤ Φ < 0,5 σre f sức căng bề mặt nhiệt độ môi trường Tre f γT = −∂ σ /∂ T hệ số sức căng bề mặt Điều kiện biên lưu chất di chuyển vi kênh xác định sau: p = p0 ; Tsub (x, 0, 0) = Tre f , (15) Tw (X, 0) = T0 (X, 0) = Tre f , (16) X = xi + z j Tsub nhiệt độ thành (8)của kênh dẫn ∂ u0 ∂ T0 = 0; = 0, i f x = and x = W, ∂x ∂x Phương pháp số (9) Trong nghiên cứu này, phương pháp bảo toàn định mức 15,16 sử dụng để giải vấn đề biến dạng bề mặt phân cách lưu chất khác Đối với phương pháp số này, bề mặt phân cách hai u0 = v0 = i f < x < x1 and x2 < x < W, z = 0, (10) lưu chất S(x) có hàm định mức ϕ = 0,5 tách miền khảo sát thành miền miền dầu Ω1 miền giọt nước Ω1 Giá trị hàm định mức liên tục từ (11) đến ≤ ϕ < 0,5 miền giọt nước Ti = Tre f i f ≤ x ≤ W, z = 0, 0,5 < ϕ ≤ miền dầu (Hình 1) Giá trị x1 x2 vị trí điểm tiếp xúc giọt nước hàm định mức thỏa mãn phương trình sau: Điều kiện trượt Navier gán vào đường phân cách ∂ϕ +Vi ∇ϕ = nước – rắn, dầu – rắn kênh dẫn có phương ∂t [ ] (17) trình là: ∇ϕ λ ∇ ε ∇ϕ − ϕ (1 − ϕ ) , |∇ϕ | ∂u (12) uτ = bs , λ giá trị tham số khởi tạo, ε độ dày ∂z bề mặt phân cách hai lưu chất Vi vận tốc bs hệ số trượt Giá trị hệ số trượt bs lưu chất phụ thuộc vào độ nhám bề mặt loại lưu chất sử Ngồi ra, để đảm bảo xác kết mô dụng 13,14 Tại mặt phân cách nước – dầu phải ta dùng phương pháp số Lagrangian thỏa mãn điều kiện dòng chảy liên tục nhiệt độ liên Eulerian mà phương pháp phần tử hữu hạn tục sau: tảng Phương pháp giúp mơ hình lưới di (13) chuyển liên tục đồng thời với bề mặt phân cách Vw ∇S = V0 ∇S, T0 = Tw , dầu nước Đối với mô hình vật lý nghiên cứu này, số phần tử hữu hạn (NE ) 20432 số bậc tự V = ui + v j Trước bắt đầu dùng nguồn nhiệt laser, giọt nước (N) 308574 Kích thước lưới bề mặt phân cách −8 đặt vị trí x=3H thành kênh dẫn giọt chất lỏng 1,25x10 m kích thước lưới bên bên ngồi giọt chất lỏng 1,8x10−8 m có nhiệt độ nhiệt độ mơi trường Vì vậy, điều Các giá trị lựa chọn để đảm bảo độ hội tụ kiện ban đầu mơ hình vật lý là: mơ hình tốn xác phương pháp (14) số Vw (X, 0) = V0 (X, 0) = 0, u0 = v0 = 0; T0 = Tre f i f < x < W, z = H, 502 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(4):500-507 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Giọt chất lỏng ban đầu đặt vi kênh có góc tiếp xúc θ = 900 , Tre f = 298 K, L = 0,55 mm hm = 0,55 mm Hình thể biến hóa đường dịng theo thời gian trường hợp bs = nm, W = 10 mm H = mm Ở đây, nhiệt độ biên biên mơ hình vật lý thiết lập với nhiệt độ môi trường bên ngồi Hai nguồn nhiệt có cơng suất 40 mW đặt vị trí cách vị trí ban đầu giọt nước bên trái khoảng mm bên phải khoảng 1,5 mm Trong giai đoạn ≤ t ≤ 4s, nguồn nhiệt Q1 sử dụng nguồn nhiệt Q2 không sử dụng Sự cân sức căng bề mặt dọc bề mặt phân cách hai pha lưu chất tạo nên hai dịng xốy bên bên ngồi giọt chất lỏng (Hình 3) Sức mạnh tổng hợp dịng xốy bên phía nhiệt độ cao (bên trái) lớn dịng xốy bên phía nhiệt độ thấp (bên phải) bên trái giọt chất lỏng có nhiệt độ cao Sự dịch chuyển mao dẫn nhiệt thuận vi kênh gây chênh lệch động lượng mao dẫn nhiệt làm cho giọt chất lỏng dịch chuyển từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp Ngoài ra, dịch chuyển thuận dòng dầu ảnh hưởng mạnh đến khả dịch chuyển dòng nước Dòng dầu dịch chuyển băng qua giọt nước từ bên trái kênh dẫn đến bên phải Ở thời điểm ban đầu, dịng xốy mao dẫn nhiệt phía trước giọt nước có kích cỡ cường độ nhỏ Nó lớn dần thời gian tăng lên Sự biến hóa đường đẳng nhiệt theo thời gian trường hợp bs = nm, W = 10 mm H = mm thể Hình Sự phân bố nhiệt độ miền dầu vòng tròn đồng tâm khuếch tán nhiệt đến giọt chất lỏng bị uốn cong chạm vào giọt chất lỏng Năng lượng nhiệt truyền từ nguồn nhiệt Q1 đến giọt chất lỏng Những đường đẳng nhiệt phân bố bên giọt chất lỏng bị uốn cong mạnh đối lưu mao dẫn nhiệt gây (Hình 4) Nhiệt độ cao giọt chất lỏng xuất bề mặt phân cách gần nguồn nhiệt Hình mơ tả biến thiên nhiệt độ bề mặt phân cách lượt lượt bên phía nguồn nhiệt Q1 bên phía nguồn nhiệt Q2 Biến thiên nhiệt độ bề mặt phân cách bên phía nguồn nhiệt Q1 Q2 định nghĩa △T1 = Tmax − Tc1 △T2 = Tmax −Tc2 Trong đó, Tmax nhiệt độ cao giọt chất lỏng, Tc1 Tc2 nhiệt độ điểm tiếp xúc bên trái bên phải chất lỏng Kết mô cho thấy biến thiên nhiệt độ giọt chất lỏng tăng nhanh giai đoạn đầu sau giảm liên tục Điều có nghĩa đối lưu mao dẫn nhiệt tác động đến chất lỏng tăng mạnh giai đoạn đầu sau giảm nhanh thời gian tăng lên 503 giá trị định Biến thiên nhiệt độ bên giọt chất lỏng phía trái ln ln nhỏ bên phía phải suốt giai đoạn ≤ t ≤ 4s Hình 6(a) thể thay đổi vị trí giọt chất lỏng kênh dẫn theo thời gian trường hợp bs = nm, W = 10 mm H = mm Tính chất vật tốc chuyển động giọt chất lỏng thể Hình 6(b) Theo đó, vận tốc giọt chất lỏng tăng nhanh giai đoạn đầu sau đạt vận tốc lớn giảm dần Số khơng thứ nguyên Maragoni (Ma) đặc trưng cho cường độ đối lưu mao dẫn nhiệt tỉ lệ với chênh lệch nhiệt độ bên giọt chất lỏng Vì số Ma tăng nhanh giai đoạn đầu giảm dần thời gian định Hình biễu diễn chênh lệch áp suất (∆P = pw -po ) hai bên giọt chất lỏng thay đổi góc tiếp xúc động suốt trình giọt chất lỏng chuyển động vi kênh Sự chênh lệch áp suất bên trái (∆P1 ) bên phải giọt chất lỏng (∆P2 ) đạt giá trị âm dương (Hình 7b) Kết mơ cho thấy góc tiếp xúc động thay đổi suốt trình giọt chất lỏng chuyển động vi kênh (Hình 7b) Sự thay đổi góc tiếp xúc động phụ thuộc lớn vào chênh lệch áp suất tác dụng lên bề mặt phân cách giọt chất lỏng Góc tiếp xúc bên trái (θ ) giảm mạnh giai đoạn đầu sau tăng nhanh Trong đó, góc tiếp xúc bên phải (θ ) lại tăng nhanh giai đoạn đầu giảm theo thời gian Góc θ ln ln lớn góc θ độ lớn ∆P2 nhỏ độ lớn ∆P1 Vì θ > 90 > θ σ > σ nên σ cosθ – σ cosθ < Do đó, lực mao dẫn nhiệt cản trở chuyển động giọt chất lỏng trường hợp Đối với giai đoạn < t ≤ 8s, nguồn nhiệt Q1 không sử dụng sử dụng nguồn nhiệt Q2 Khơng giống giai đoạn trước, kích cỡ sức mạnh vịng xốy mao dẫn nhiệt bên phải (gần nguồn nhiệt Q2 ) nhỏ bên trái Sự chênh lệch động lượng mao dẫn nhiệt bên giọt chất lỏng dịch chuyển nghịch dòng dầu băng qua giọt chất lỏng làm đẩy giọt chất lỏng di chuyển ngược lại từ bên phải (vùng nhiệt độ cao) đến bên trái kênh dẫn (vùng nhiệt độ thấp hơn) Trong giai đoạn này, nhiệt truyền từ nguồn nhiệt Q2 đến giọt chất lỏng Đường đẳng nhiệt bên giọt chất lỏng bị uốn cong mạnh đối lưu mao dẫn nhiệt Nhiệt độ cao giọt chất lỏng xuất bề mặt phân cách gần nguồn nhiệt Q2 Biến thiên nhiệt độ bên giọt chất lỏng bên phía phải ln ln nhỏ bên phía trái suốt trình giọt chất lỏng di chuyển ngược Giống tính chất chuyển động giọt chất lỏng giai đoạn trước, vận tốc giọt chất lỏng tăng nhanh giai đoạn đầu giảm sau đạt giá trị lớn ∆P1 mang giá trị dương ∆P2 mang giá trị âm (Hình 7a) Ở giai đoạn Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(4):500-507 này, góc θ ln ln nhỏ góc θ độ lớn ∆P2 lớn độ lớn ∆P1 Đối với giai đoạn < t ≤ 12s, tượng vật lý di chuyển mao dẫn thuận giọt chất lỏng tương tự với giai đoạn đầu (0 ≤ t ≤ 4s) Kết mô cho thấy giọt chất lỏng dịch chuyển thuận, nghịch thuận ba giai đoạn khác nguồn nhiệt Trong đó, kết thực nghiệm Jiao 17 cho thấy giọt chất lỏng vi kênh dịch chuyển theo quỹ đạo vịng kín quay trở lại phía vị trí ban đầu thay đổi cách thức hoạt động nguồn nhiệt Điều chứng tỏ kết mô số chế chuyển động giọt chất lỏng phù hợp với kết thực nghiệm Hình 4: Đường đẳng nhiệt bên vi kênh trường hợp bs = nm, θ = 900 , W = 10 mm H = mm giai đoạn (a) ≤ t ≤ 4s, (b) < t ≤ 8s, (c) < t ≤ 12s Hình 3: Đường dịng bên vi kênh trường hợp bs = nm, θ = 900 , W = 10 mm H = mm giai đoạn (a) ≤ t ≤ 4s, (b) < t ≤ 8s, (c) < t ≤ 12s KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, phương pháp số phần mềm Comsol Multiphysic sử dụng để mô di chuyển mao dẫn nhiệt thuận nghịch lưu chất vi kênh Cả nhiệt độ biên biên ban đầu thiết lập với nhiệt độ môi trường Kết mô cho thấy độ chênh lệch động lượng mao dẫn nhiệt bên giọt chất lỏng biến thiên nhiệt độ gây dịch chuyển dòng dầu băng qua giọt chất lỏng ảnh hưởng lớn đến tính chất chuyển động giọt chất lỏng kênh dẫn Vận tốc giọt chất lỏng ban đầu tăng Hình 5: Độ biến thiên nhiệt độ bên trái bên phải giọt chất lỏng theo thời gian trường hợp bs = nm, θ = 900 , W = 10 mm H = mm tốc để đạt giá trị vận tốc lớn Sau đó, vận tốc giảm dần theo thời gian Đối với giai đoạn ≤ t ≤ 4s < t ≤ 12s, vịng xốy mao dẫn nhiệt bên giọt chất lỏng bên phía trái ln ln nhỏ bên phải Ngược lại, vịng xốy mao dẫn nhiệt bên giọt chất lỏng bên phía trái lớn bên phải giai đoạn < t ≤ 8s Đường đẳng nhiệt bên giọt chất lỏng bị uốn cong mạnh đối lưu mao dẫn nhiệt gây Độ biến thiên nhiệt độ bên giọt chất lỏng bên phía trái ln ln nhỏ bên phía phải giai đoạn ≤ t ≤ 4s < t ≤ 12s giai đoạn < t ≤ 8s ngược lại Góc tiếp xúc động 504 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Cơng nghệ, 3(4):500-507 Hình 6: (a) Vị trí (b) vận tốc giọt chất lỏng theo thời gian trường hợp bs = nm, θ = 900 , W = 10 mm H = mm Hình 7: (a) Độ chênh lệch áp suất bên trái bên phải giọt chất lỏng (b) góc tiếp xúc động giọt chất lỏng theo thời gian trường hợp bs = nm, θ = 900 , W = 10 mm H = mm giọt chất lỏng thay đổi liên tục suốt trình giọt chất lỏng chuyển động kênh dẫn chênh lệch áp suất tác dụng lên giọt chất lỏng XUNG ĐỘT LỢI ÍCH Nhóm tác giả xác nhận khơng có xung đột lợi ích liên quan đến cơng trình nghiên cứu ĐĨNG GĨP CỦA TÁC GIẢ Nhóm tác giả thực nghiên cứu dựa mô số để giải thích chế chuyển động lưu chất kênh dẫn vi lưu Các thành viên có đóng góp nghiên cứu LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh (VNU-HCM) khn khổ Đề tài mã số C2020-20-03 Chúng tơi xin cảm ơn Phịng thí nghiệm trọng điểm Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM hỗ trợ thời gian, phương tiện sở vật chất cho nghiên cứu 505 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(4):500-507 TÀI LIỆU THAM KHẢO Haeberle S, Zengerle R Microfluidic platforms for lab-ona-chip applications, Lab Chip 2007;7:1094–1110 PMID: 17713606 Available from: https://doi.org/10.1039/b706364b Abbasnejad B, Thorby W, Razmjou A, Jin D, Asadnia M, Warkiani ME MEMS piezoresistive flow sensors for sleep apnea therapy Sensors and Actuators A: Physical 2018;279:577– 585 Available from: https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.06.038 Wang L, Sun K, Hu X, Li G, Jin Q, Zhao J A centrifugal microfluidic device for screening protein crystallization conditions by vapor diffusion, Sensors and Actuators B: Chemical 2015;219:105–111 Available from: https://doi.org/10.1016/j snb.2015.04.105 Brochard F Motions of droplets on solid surfaces induced by chemical or thermal gradients, Langmuir 1989;5:432–438 Available from: https://doi.org/10.1021/la00086a025 Ford ML, Nadim A Thermocapillary migration of an attached drop on a solid surface, Phys Fluids 1994;6:3183–3185 Available from: https://doi.org/10.1063/1.868096 Le TL, et al Numerical investigation of the thermocapillary actuation behavior of a droplet in a microchannel, Int J Heat Mass Transfer 2015;83:721–730 Available from: https://doi org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.12.056 Le TL, et al Numerical study of the migration of a silicone plug inside a capillary tube subjected to an unsteady wall temperature gradient, Int J Heat Mass Transfer 2016;97:439–449 Available from: https://doi.org/10.1016/j ijheatmasstransfer.2015.11.098 Le TL, Chen JC, Nguyen HB Numerical study of the thermocapillary droplet migration in a microchannel under a blocking effect from the heated wall, Appl Thermal Eng 2017;122:820–830 Available from: https://doi.org/10.1016/j applthermaleng.2017.04.073 Vincent MRS, Wunenburger R, Delville JP Laser switching and sorting for high speed digital microfluidics, Applied Physics Letters 2008;92:154105 Available from: https://doi.org/10 1063/1.2911913 10 Verneuil E, Cordero ML, Gallaire F, Baroud CN Laser-induced force on a microfluidic drop: Origin and magnitude, Langmuir 2009;25(9):5127–5134 PMID: 19358521 Available from: https://doi.org/10.1021/la8041605 11 Brackbill JU, Kothe DB, Zemach C A continuum method for modeling surface tension, J Comp Phys 1991;100:335–354 Available from: https://doi.org/10.1016/0021-9991(92)90240Y 12 Chen JC, Kuo CW, Neitzel GP Numerical simulation of thermocapillary nonwetting, Int J Heat Mass Transfer 2006;49:4567–4576 Available from: https://doi.org/10.1016/ j.ijheatmasstransfer.2006.04.033 13 Tabeling P Investigating slippage, droplet breakup, and synthesizing microcapsules in microfluidic system Phys Fluids 2010;22:021302 Available from: https://doi.org/10.1063/1 3323086 14 Koplik J, Banavar JR, Willemsen JF Molecular dynamics of fluid flow at solid surfaces Phys Fluids A 1989;1:781–794 Available from: https://doi.org/10.1063/1.857376 15 Olsson E, Kreiss G A conservative level set method for two phase flow J Comput Phys 2005;210:225–246 Available from: https://doi.org/10.1016/j.jcp.2005.04.007 16 Olsson E, Kreiss G, Zahedi S A conservative level set method for two phase flow II J Comput Phys 2007;225:785–807 Available from: https://doi.org/10.1016/j.jcp.2006.12.027 17 Jiao ZJ, Huang XY, Nguyen NT Manipulation of a droplet in a planar channel by periodic thermocapillary actuation J Micromech Microeng 2008;18:045027 Available from: https: //doi.org/10.1088/0960-1317/18/4/045027 506 Science & Technology Development Journal – Engineering and Technology, 3(4):500-507 Research Article Open Access Full Text Article A simulation study of the forward and backward thermocapillary migration of fluids in a microchannel Nguyen Huu Khuong1,2 , Le Thanh Long1,2,3,* ABSTRACT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh University of Technology (HCMUT), 268 Ly Thuong Kiet Street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Vietnam Vietnam National University Ho Chi Minh City, Linh Trung Ward, Thu Duc District, Ho Chi Minh City, Vietnam In this study, the forward and backward thermocapillary migration of fluids in a microchannel is numerically investigated Both the upper wall and the lower wall of the microchannel are set to be an ambient temperature Two 40mW heat sources activated periodically are placed on the left side and the right side of the droplet in a microchannel When the heat source is turned on, a pair of asymmetric thermocapillary convection vortices is formed inside the droplet The isotherms inside the droplet are extremely distorted by the thermocapillary convection The forward and backward thermocapillary migration results in the net thermocapillary momentum which drives a water droplet moves from the hot side of the open channel to the cold side The temperature gradient at the free interface on the side of acting heat source is always smaller than that on the cold side The actuation velocity of the liquid droplet first increases significantly, and then decreases continuously for various interval times The dynamic contact angle of a water droplet is strongly affected by the forward and backward oil flow motion and the net thermocapillary momentum inside the droplet It is alternated due to the pressure difference acting on the free interface between two immiscible fluids during actuation process Key words: Numerical Simulation, Thermocapillary Migration, Surface Tension, Microchannel National Key Laboratory of Digital Control and System Engineering, HCMUT (DCSELab), HCMUT, 268 Ly Thuong Kiet Street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Vietnam Correspondence Le Thanh Long, Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh University of Technology (HCMUT), 268 Ly Thuong Kiet Street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Vietnam Vietnam National University Ho Chi Minh City, Linh Trung Ward, Thu Duc District, Ho Chi Minh City, Vietnam National Key Laboratory of Digital Control and System Engineering, HCMUT (DCSELab), HCMUT, 268 Ly Thuong Kiet Street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Vietnam Email: ltlong@hcmut.edu.vn History • Received: 04-8-2020 • Accepted: 07-12-2020 • Published: 31-12-2020 DOI : 10.32508/stdjet.v3i4.753 Copyright © VNU-HCM Press This is an openaccess article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license Cite this article : Khuong N H, Long L T A simulation study of the forward and backward thermocapillary migration of fluids in a microchannel Sci Tech Dev J – Engineering and Technology; 3(4):500-507 507 ... trình nghiên cứu ĐĨNG GĨP CỦA TÁC GIẢ Nhóm tác giả thực nghiên cứu dựa mô số để giải thích chế chuyển động lưu chất kênh dẫn vi lưu Các thành vi? ?n có đóng góp nghiên cứu LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài... vịng xốy mao dẫn nhiệt bên phải (gần nguồn nhiệt Q2 ) nhỏ bên trái Sự chênh lệch động lượng mao dẫn nhiệt bên giọt chất lỏng dịch chuyển nghịch dòng dầu băng qua giọt chất lỏng làm đẩy giọt chất. .. LUẬN Trong nghiên cứu này, phương pháp số phần mềm Comsol Multiphysic sử dụng để mô di chuyển mao dẫn nhiệt thuận nghịch lưu chất vi kênh Cả nhiệt độ biên biên ban đầu thiết lập với nhiệt độ môi