Dinámica del aumento de líquido en los intersticios de los capilares circulares bajo un régimen no inercial

Área de la Ciencia:

• Dinámica de fluidos
• Microfluidos
• Ciencias de los materiales

Sus antecedentes:

• El aumento capilar en geometrías confinadas es crucial para dispositivos microfluídicos, medios porosos y tuberías de calor.
• Comprender la dinámica de aumento capilar transitorio en las esquinas intersticiales es esencial para optimizar estos sistemas.
• Los estudios anteriores a menudo se centraban en geometrías de esquinas más simples, lo que requería la investigación de configuraciones más complejas y realistas.

Objetivo del estudio:

• Investigar la dinámica transitoria del aumento capilar en las esquinas intersticiales de tres micro capilares circulares estrechamente empaquetados.
• Explorar la influencia de varios números adimensionales (Capilar, Froude, Ohnesorge) en el aumento capilar de las esquinas.
• Desarrollar y validar nuevas leyes teóricas de escala para la altura y la velocidad del menisco en esta geometría específica.

Principales métodos:

• Se han realizado experimentos con micro capilares con diámetros comprendidos entre 300 μm y 10 mm.
• Se han realizado simulaciones 3D del volumen de fluido (VoF) que incorporan un modelo dinámico del ángulo de contacto.
• Aplicó el principio de minimizar la energía de Onsager para derivar leyes teóricas de escala en el régimen no inercial.

Principales resultados:

• Se proponen nuevas leyes de escala para la altura del menisco de la esquina adimensional (escala como la raíz cúbica del tiempo adimensional) y la velocidad (escala como el tiempo a la potencia negativa de dos tercios) para perfiles circulares.
• Demostró que estas leyes de escala predicen con precisión los resultados experimentales y de simulación para la altura y la velocidad del menisco.
• Se observó que el aumento del menisco esquina es en gran medida independiente del menisco total y el radio capilar, destacando su naturaleza no local.

Conclusiones:

• Las leyes de escala derivadas proporcionan un marco sólido para comprender el aumento capilar tardío en las esquinas intersticiales de los micro capilares circulares.
• El estudio aclara el comportamiento distinto de la elevación capilar en estas geometrías confinadas específicas en comparación con las formas de esquina más simples.
• Los hallazgos ofrecen información valiosa para el diseño y la optimización de sistemas que implican el transporte de líquidos en estructuras micro-capilares empacadas.