Capillary flow of evaporating liquid solutions in open rectangular microchannels

马朗戈尼效应 毛细管作用 材料科学 蒸发 微通道 弯月面 润滑理论 机械 流量(数学) 热力学 表面张力 润滑 复合材料 纳米技术 光学 物理 入射(几何)
作者
Panayiotis Kolliopoulos,Krystopher S. Jochem,Lorraine F. Francis,Satish Kumar
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:938 被引量:19
标识
DOI:10.1017/jfm.2022.140
摘要

Capillary flow of liquids plays a key role in many applications including lab-on-a-chip devices, heat pipes and printed electronics manufacturing. Open rectangular microchannels often appear in these applications, with the lack of a top resulting in a complex free-surface morphology and evaporation. In this work we develop a theoretical model based on lubrication theory and kinetically limited evaporation to examine capillary flow of evaporating liquid solutions in open rectangular microchannels connected to circular reservoirs. The model accounts for the complex free-surface morphology, solvent evaporation, Marangoni flows due to gradients in solute concentration and temperature and finite-size reservoir effects. Significant differences are predicted in flow behaviour between pure liquids and liquid solutions due to solvent evaporation and solute transport. Marangoni flows are found to promote more uniform solute deposition patterns after solvent evaporation. Model predictions of meniscus position evolution are in good agreement with prior capillary-flow experiments of aqueous poly(vinyl alcohol) solutions in the presence of evaporation. The model reveals that the principal mechanism through which evaporation influences the meniscus position in the experiments is the increase in viscosity with solute concentration.
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