بررسی عددی دینامیک قطرات غیرنیوتنی کارئو تحت پدیده الکترووتینگ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران. کارشناس آلایندگی، شرکت مگاموتور، تهران،ایران.

2 گروه آموزشی مهندسی مکانیک-دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

مطالعه رفتار دینامیکی قطرات از اهمیت بالایی در پدیده‌های الکترووتینگ برخوردار است. باتوجه به کاربرد گسترده سیالات غیرنیوتنی به‌خصوص در کاربردهای زیستی، در مطالعه حاضر دینامیک قطرات غیرنیوتنی کارئو تحت پدیده الکترووتینگ مورد بررسی قرار گرفته است. اثرات ویسکوزیته، اندازه قطره و اختلاف پتانسیل اعمالی در نوسانات و تغییر ارتفاع قطره مشخص شده‌اند. شبیه‌سازی این پدیده به کمک روش المان محدود صورت گرفته و به منظور اعتبارسنجی مدل‌سازی انجام شده، نتایج حاصل با نتایج تجربی و عددی مقایسه شده‌اند. نتایج نشان می‌دهند، برای سیال غیرنیوتنی مدل کارئو با افزایش لزجت دامنه نوسانات کاهش می‌یابد اما فرکانس ارتعاشی ثابت است، در صورتی‌که برای حالت مشابه در سیال نیوتنی دامنه نوسانات بزرگتر و فرکانس آن نسبت به سیال غیرنیوتنی کمتر است. در سیال غیرنیوتنی کارئو با ضریب توانکوچکتر از یک رفتار سیال غیرنیوتنی مشابه سیال نیوتنی می‌باشد اما زمانی‌که ضریب بزرگتر از یک می‌شود، سیال غیرنیوتنی در زمان کمتری به ارتفاع نهایی خود رسیده و این تغییر ارتفاع به‌صورت یک مرتبه همگرا می‌شود. افزایش ارتفاع در سیال غیرنیوتنی منجر به افزایش دامنه ارتعاشی و کاهش مقدار فرکانس در سیال می‌شود و در مقابل، در سیال غیرنیوتنی دامنه ارتعاشی کمتر ولی مقدار فرکانس آن بیشتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Study of the Dynamics of Non-Newtonian Carreau Droplets under Electrowetting Phenomenon

نویسندگان [English]

  • reza izadi 1
  • Ali Moosavi 2
1 Mechanical Engineering, Sharif Institute University, Tehran, Iran Emission Expert, Megamotor Co., Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering-Sharif University of Technology
چکیده [English]

Studying the dynamic behavior of droplets is very important in electrowetting phenomena. Due to the widespread application of non-Newtonian fluids, in the present study, the dynamics of non-Newtonian Carreau droplets have been investigated. The effects of the viscosity, the size and the applied voltage on the oscillations and the change in the height of the droplets have been inspected. The simulations have been conducted using the finite element method and in order to validate the method, the results have been compared with the available experimental and numerical results. The results indicate that by increasing the viscosity the amplitude of the oscillations increases but the frequency remains constant. These are similar to those of the Newtonian fluids with this difference that in Newtonian fluids the amplitude is larger but the frequency is smaller. Also, for Carreau fluids when the power index is smaller than one the results are similar to the Newtonian fluids but when the power index is larger than one the droplet reaches its final height faster and without any fluctuation. Increasing the height in the non-Newtonian fluid leads to an increase in the amplitude of the oscillations and decreases the amount of frequency in the fluid.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Electrowetting on Dielectric
  • Young-Lipmmann
  • Newtonian Fluid
  • Non-Newtonian fluid
  • contact angle
[1] G. Lippmann, Relations entre les phénomènes électriques et capillaires, Gauthier-Villars Paris, France:, 1875.
[2] U.-C. Yi, C.-J. Kim, Characterization of electrowetting actuation on addressable single-side coplanar electrodes, Journal of Micromechanics and Microengineering, 16(10) (2006) 2053.
[3] H. Oprins, J. Danneels, B. Van Ham, B. Vandevelde, M. Baelmans, Convection heat transfer in electrostatic actuated liquid droplets for electronics cooling, Microelectronics Journal, 39(7) (2008) 966-974.
[4] N. Rajabi, A. Dolatabadi, A novel electrode shape for electrowetting-based microfluidics, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 365(1-3) (2010) 230-236.
[5] O.N.M. Izadpanahi, Alireza & Jian Abed, Ghazale & Passandideh-fard, Mohammad, Numerical investigation of water drop movement within a microchannel under electrowetting phenomenon, in persian,  (2015).
[6] H. Chen, T. Tang, A. Amirfazli, Effect of contact angle hysteresis on breakage of a liquid bridge, The European Physical Journal Special Topics, 224(2) (2015) 277-288.
[7] Y. Wang, M. Do-Quang, G. Amberg, Viscoelastic droplet dynamics in a Y-shaped capillary channel, Physics of fluids, 28(3) (2016) 033103.
[8] R.H. Vafaie, B.S. Dudkanlu, N. Fatehi, Theoretical and Simulational Study of Electrowetting on Dielectric (EWOD) Effect, in:  Electrical Engineering (ICEE), Iranian Conference on, IEEE, 2018, pp. 48-52.
[9] A. Banpurkar, M.H. Duits, D.v.d. Ende, F. Mugele, Electrowetting of complex fluids: perspectives for rheometry on chip, Langmuir, 25(2) (2008) 1245-1252.
[10] H. Zeng, A.D. Feinerman, Z. Wan, P.R. Patel, Piston-motion micromirror based on electrowetting of liquid metals, Journal of Microelectromechanical Systems, 14(2) (2005) 285-294.
 [11] R. Yan, T.S. McClure, I.H. Jasim, A.K.R. Koppula, S. Wang, M. Almasri, C.-L. Chen, Enhanced water capture induced with electrowetting-on-dielectric (EWOD) approach, Applied Physics Letters, 113(20) (2018) 204101.
[12] J.S. Kuo, P. Spicar-Mihalic, I. Rodriguez, D.T. Chiu, Electrowetting-induced droplet movement in an immiscible medium, Langmuir, 19(2) (2003) 250-255.
[13] S. Alavi, M. Passandideh-Fard, M.H. Tafteh, Electrowetting actuation for a sessile liquid drop: experiments and simulations, in:  ASME 2011 9th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, American Society of Mechanical Engineers, 2011, pp. 609-618.
[14] R.S. Hale, V. Bahadur, Electrowetting heat pipes for heat transport over extended distances, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 5(10) (2015) 1441-1450.
[15] J. Gong, G. Cha, Y.S. Ju, Thermal switches based on coplanar EWOD for satellite thermal control, in:  2008 IEEE 21st International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, IEEE, 2008, pp. 848-851.
[16] G. McHale, B.V. Orme, G.G. Wells, R.A. Ledesma-Aguilar, Apparent Contact Angles on Lubricant Impregnated Surfaces/SLIPS: From Superhydrophobicity to Electrowetting, Langmuir,  (2019).
 [17] J. Hong, Y.K. Kim, K.H. Kang, J.M. Oh, I.S. Kang, Effects of drop size and viscosity on spreading dynamics in DC electrowetting, Langmuir, 29(29) (2013) 9118-9125.
[18] A. TröIs, E.K. Reichel, B. Jakoby, FEM modeling and capillary wave analysis of electrowetting induced droplet oscillations, in:  2018 IEEE SENSORS, IEEE, 2018, pp. 1-4.
[19] Chhabra RP. Non-Newtonian fluids: an introduction. In Rheology of complex fluids 2010 (pp. 3-34). Springer, New York, NY.
[20] M. Ramezanpour, M. Maerefat, M. Mokhtari-Dizaji, The effects of compliance mismatch on the End to Side bypass graft, Modares Mechanical Engineering, 15(5) (2015) 279-286.(In Persian)