Influence of slippage on thermocapillary flow induced by a Gaussian temperature distribution on small-scale water droplets driven by surface acoustic waves
Researchers: J. Muñoz, J. Arcos, O. Bautista, F. Méndez
Abstract: In the present work, we theoretically analyze the influence of thermocapillary flow on the atomization by surface acoustic waves (SAWs) of a sessile water droplet exposed to a high-frequency acoustic field and placed over a substrate with slippage at the wall. Thermocapillary flow is induced by imposing a Gaussian temperature profile along the free surface of the droplet. Such fluid flow in conjunction with the acoustically-driven capillary waves at the free surface prior to atomization under the influence of the slip phenomenon is analyzed by applying the lubrication theory to the flow field governing equations, leading to the derivation of an evolution equation written in terms of the acoustic capillary number, the Marangoni number, and the substrate slip coefficient. The numerical solution of the evolution equation has led us to propose the combined influence of thermocapillary and slip phenomena as a valuable means of assisting in the regulation of aerosol diameter in SAW atomization, capable of exerting a significant influence on the interfacial dynamics of droplets prior to atomization.
Publications: J. Muñoz, J. Arcos, O. Bautista, F. Méndez, Wave Motion 120 (2023) 103167.
Slippage effect on interfacial destabilization driven by standing surface acoustic waves under hydrophilic conditions
Researchers: J. Muñoz, J. Arcos, I. Campos-Silva, O. Bautista, F. Méndez
Abstract: In the present work, we theoretically analyze the influence of the slippage phenomenon on the atomization via surface acoustic waves of a millimeter-order water drop deposited over a hydrophilic substrate. The analysis is conducted by considering, in the first place, a standing surface acoustic wave acting at the free surface of the parent drop. Subsequently, the lubrication theory is applied to the flow field governing equations to derive an evolution equation of the air-liquid interface in terms of the acoustic capillary number and the Navier-slip coefficient. Such an equation’s numerical solution leads to a simplified drop model, depicting the spatiotemporal deformation of the free surface under the influence of slippage phenomenon and predicts the atomization threshold once the instability length at the induced capillary waves is achieved. Our numerical simulations show that the high frequency acoustic excitation under consideration leads to the development of a standing wave at the free surface, which oscillates at a viscous-capillary resonance frequency on order 104 Hz. Moreover, a spreading phenomenon on the fluid drop is induced, strongly linked to the magnitude of the acoustic capillary number. In this scenario, the slippage under hydrophilic conditions has a noticeable impact on the free surface dynamics, causing smaller aerosol characteristic diameters in comparison with the no-slip case. In this context, the present study provides an analytical expression that calculates the droplet diameter in terms of the slip coefficient. In the process, we postulate the slippage phenomenon as a valuable means to control the parent drop’s deformation mechanism and, therefore, the aerosol characteristic diameter.
Publications: J. Muñoz, J. Arcos, I. Campos-Silva, O. Bautista, F. Méndez, Phys. Rev. Fluids 6, (2021) 024002
Bienvenida y bienvenido a la página de inicio de la LGAC Transferencia de Calor y Termocapilaridad.
La transferencia de calor es una ciencia básica que trata de la rapidez de transferencia de energía térmica. En la práctica de ingeniería, es importante la comprensión de los mecanismos básicos de transferencia de calor, ya que desempeña un papel determinante en el diseño de dispositivos en escala macro (vehículos, plantas generadoras de energía, sistemas de enfriamiento o calentamiento como lo son los intercambiadores de calor, aparatos electrónicos, etc.). Sin embargo, en los últimos años es importante mencionar, que ha habido un gran progreso en el desarrollo de la microfluídica y nanofluídica, así como sus aplicaciones tanto a niveles de industriales como de investigación. Dispositivos mecánicos con escalas de micras o menores, han llegado a ser cada vez más importantes en los últimos tiempos y actualmente, por ejemplo, se utilizan dispositivos con dimensiones medidas en micras para separación, detección, reacción, preparación y mezclado de muestras de fluidos en aplicaciones de las áreas médica, química y biología. Inherente a estas nuevas tecnologías está la necesidad de desarrollar la ciencia fundamental e ingeniería de pequeños dispositivos. Éstos son de escalas micrométricas y tienden a comportarse de manera diferente a los que utilizados en escalas convencionales. Las fuerzas involucradas en los microsistemas, por ejemplo, tienden a ser muy pequeñas, y los efectos de superficie dominan en éstos. La Maestría en Ciencias en Termofluidos cubre los siguientes aspectos: teoría de la mecánica de fluidos y transferencia de calor, efectos de escalas, caracterización de flujos, componentes que incluyen microbombas mecánicas y no mecánicas, microválvulas, micromezcladores, microreactores, sensores de microflujos, y demás consideraciones de diseño. Es necesario señalar que la microfluídica es una tecnología de un poco más de una década de antigüedad, y refiere a la investigación y desarrollo de dispositivos de tamaños micrométricos que manejan pequeños volúmenes de fluido. Los dispositivos de escalas micrométricas requieren la construcción y diseño que difiere de aquellos de escalas macro. En general, no es posible escalar dispositivos convencionales a los de tamaño micro, ya que las cantidades físicas dominantes cambian en estos últimos. Por otro lado, el estudio de la termocapilaridad y los medios porosos encuentran aplicación, por ejemplo, en intercambiadores de calor del tipo microtubos de calor, los cuales mediante convección y flujos capilares ejecutan óptimos procesos de enfriamiento. Actualmente, mediante el micro y nano moldeo es posible construir medios porosos que pueden ser muy eficientes en la entrega de muy pequeñas cantidades de fluidos para procesos biomédicos y de micro y nano ingeniería.
