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The influence of boundary configurations on the dissipation and stability in fluids at low Reynolds numbers

Eigenbrod, Michael (2021):
The influence of boundary configurations on the dissipation and stability in fluids at low Reynolds numbers. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00017578,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: The influence of boundary configurations on the dissipation and stability in fluids at low Reynolds numbers
Language: English
Abstract:

The physical nature of boundaries that restrict the spreading of fluids or appear as interfaces between two immiscible fluids can have a significant influence on the static and dynamic properties of a fluidmechanical system. The aim of the present work is to investigate the influence of different boundary configurations on the energy dissipation and stability of fluid systems in the case of creeping flows, as they typically occur in microfluidic devices.

The motion of charged interfacial microparticles induced by an applied electric field is theoretically investigated in this work. In addition to the functional relationship, which relates the velocity of the particle with the strength of the electric field and depends, among others, on the wetting properties of the particle, the deformation of the fluid interface is also determined, which results as a consequence of the charge of the particle and the resulting electric double layer, which is different in both bulk phases.

The presence of multiple interfacial particles can effectively be described by a change in the rheological properties of the fluid interface. The theoretical model developed in this work is suitable for determining the effective shear and dilatation viscosity of the interface, which can be expressed as a function of the particle concentration and the contact angle of the particles.

Microfluidic systems are typically characterized by a small volume-to-surface ratio, whereby the influence of the boundary conditions on the global properties of a flow increases dramatically. A charged, weakly deformed circular obstacle subjected to a pressure-driven flow can be isolated by a locally restricted electro-osmotic flow induced on the walls of the channel such that the hydrodynamic force on the body vanishes. The exact charge distribution that encloses the solid at the walls of the channel and provides hydrodynamic isolation, is determined theoretically and validated with the help of numerical simulations.

The aim of many technical applications is to create an uniform liquid film on a flat surface. However, under certain external conditions, defects or holes can form which, if they are stable, may even lead to component failure. In the course of this work, a stability criterion is determined that predicts under which conditions the defects in spatially limited liquid films will self-heal. In addition, the dynamics of the closure of single circular defects is investigated theoretically and compared with experiments on different substrates.

As an extension of the investigation on single defects in liquid films, a model is developed which predicts the temporal evolution of multiple defects. The theoretical results are validated by a comparison with experiments.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die physikalische Beschaffenheit von Rändern, die Fluide in ihrer geometrischen Ausbreitung einschränken oder sich als Grenzfläche zwischen zwei nicht mischbaren Fluiden bilden, können signifikanten Einfluss auf die statischen und dynamischen Eigenschaften eines fluidmechanischen Systems haben. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses verschiedener Randkonfigurationen auf die Energiedissipation und Stabilität von Flüssigkeitssystemen im Fall schleichender Strömungen, wie sie typischerweise in mikrofluidischen Systemen auftreten.

Die durch ein angelegtes elektrisches Feld induzierte Bewegung von geladenen, an Fluidgrenzflächen absorbierten Mikropartikeln wird im Rahmen dieser Arbeit theoretisch untersucht. Neben dem funktionalen Zusammenhang, der die Geschwindigkeit des Partikels mit der Stärke des elektrischen Feldes verknüpft und unter anderem von den Benetzungseigenschaften des Partikels abhängt, wird ebenfalls die Deformation der Grenzfläche bestimmt, die sich als Konsequenz der Ladung des Partikels und der sich in beiden Phasen unterschiedlich einstellenden elektrischen Doppelschicht ergibt.

Die Präsenz von mehreren Grenzflächenpartikeln lässt sich effektiv durch eine Änderung der rheologischen Eigenschaften der fluiden Grenzfläche beschreiben. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte theoretische Modell eignet sich zur Bestimmung der effektiven Scher- und Dilatationsviskosität der Grenzfläche, welche sich als Funktion der Partikelkonzentration und des Kontaktwinkels der Partikel ausdrücken lässt.

Mikrofluidische Systeme sind typischerweise durch ein geringes Volumen-zu-Oberflächen-Verhältnis charakterisiert, wodurch der Einfluss der Randbedingungen auf die globalen Eigenschaften einer Strömung drastisch zunimmt. Ein geladener, schwach deformierter und in einer durckgetriebenen Strömung eingebrachter Festkörper kann durch einen, an den Wänden des Kanals induzierten, örtlich beschränkten elektoosmotischen Fluss derart isoliert werden, sodass die hydrodynamische Kraft auf den Körper verschwindet. Die exakte Ladungsverteilung, die den Festkörper an der Wand des Kanals umschließt und für eine hydrodynamische Isolierung sorgt, wird theoretisch bestimmt und mit Hilfe von numerischen Simulationen validiert.

Das Ziel vieler technischer Anwendungen ist die Erzeugung eines gleichmäßigen Flüssigkeitsfilms auf einer ebenen Fläche. Unter bestimmten äußeren Bedingungen jedoch, bilden sich Defekte oder Löcher, die, sofern sie stabil sind, womöglich sogar zu Bauteilversagen führen können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Stabilitätskriterium bestimmt, welches vorhersagt, unter welchen Umständen sich die Defekte in räumlich begrenzten Flüssigkeitsfilmen selbst heilen. Außerdem wird die Dynamik der Lochschließung einzelner runder Defekte theoretisch untersucht und mit Experimenten auf unterschiedlichen Substraten verglichen.

Als Erweiterung der Untersuchung zu einzelnen Defekten in Flüssigkeitsfilmen, wird ein Modell entwickelt, welches die Vorhersage von mehreren Defekten in ihrer zeitlichen Entwicklung vorhersagt. Durch einen Vergleich mit Experimenten werden die theoretischen Resultate validiert.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XV, 209 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Nano- and Microfluidics (NMF)
Date Deposited: 03 Mar 2021 11:50
Last Modified: 03 Mar 2021 11:50
DOI: 10.26083/tuprints-00017578
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-175786
Referees: Hardt, Prof. Dr. Steffen and Scheid, Prof. Dr. Benoit
Refereed: 15 July 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17578
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