kth.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Effective slip over partially filled microcavities and its possible failure
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, Linné Flow Center, FLOW. KTH, Centres, SeRC - Swedish e-Science Research Centre.ORCID iD: 0000-0002-4222-012X
Uppsala Univ, Dept Informat Technol, Div Sci Comp, Box 337, S-75105 Uppsala, Sweden..
Tech Univ Munich, Inst Computat Mech, Boltzmannstr 15, D-85748 Garching, Germany..
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, Linné Flow Center, FLOW. KTH, Centres, SeRC - Swedish e-Science Research Centre.ORCID iD: 0000-0002-4346-4732
Show others and affiliations
2018 (English)In: Physical Review Fluids, E-ISSN 2469-990X, Vol. 3, no 5, article id 054201Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Motivated by the emerging applications of liquid-infused surfaces (LIS), we study the drag reduction and robustness of transverse flows over two-dimensional microcavities partially filled with an oily lubricant. Using separate simulations at different scales, characteristic contact line velocities at the fluid-solid intersection are first extracted from nanoscale phase field simulations and then applied to micronscale two-phase flows, thus introducing a multiscale numerical framework to model the interface displacement and deformation within the cavities. As we explore the various effects of the lubncant-toouter-fluid viscosity ratio A2/A0 th(mu)over tilde( )c(mu)over tilde(1), thary number Ca, the static contact angle A> and t theta(s), filling fraction of the cavity <5, we f delta d that the effective slip is most sensitive to the parameter S. The effects of A2/A1 an(mu)over tilde( )A(mu)over tilde(a )re ge theta(s)erally intertwined but weakened if <5 < 1. delta M 1er, for an initial filling fraction S = 0.94 delta our results show that the effective slip is nearly independent of the capillary number when it is small. Further increasing Ca to about O.OIA1/A20.01(mu)over tilde(1)/(mu)over tilde(2)ntify a possible failure mode, associated with lubricants draining from the LIS, for A2/A1 A (mu)over tilde(2)1(mu)over tilde(1)V less than or similar to y viscous lubricants (e.g., A2/A1 > (mu)over tilde()),(mu)over tilde(h)owever, are immune to such failure due to their generally larger contact line velocity.

Place, publisher, year, edition, pages
American Physical Society, 2018. Vol. 3, no 5, article id 054201
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-230443DOI: 10.1103/PhysRevFluids.3.054201ISI: 000433036100003Scopus ID: 2-s2.0-85049006815OAI: oai:DiVA.org:kth-230443DiVA, id: diva2:1217623
Funder
Swedish Research Council, 621-2012-2360EU, FP7, Seventh Framework Programme, 664823Swedish e‐Science Research Center
Note

QC 20180613

Available from: 2018-06-13 Created: 2018-06-13 Last updated: 2022-06-26Bibliographically approved
In thesis
1. On droplet interactions and suspension flow
Open this publication in new window or tab >>On droplet interactions and suspension flow
2020 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Droppinteraktioner och suspensionsflöden
Abstract [en]

Micron to millimetre sized droplets, precisely generated or sustained in controlled environment, have great potential in myriads of engineering applications functioning as the basic element to assemble metamaterials, deliver drugs, host surfactant, reduce friction and damp turbulence. The interaction of droplets from pairwise to collective levels is the most important factor in controlling these processes, yet little is known about the detailed mechanisms in various nonideal conditions. The present thesis combines a number of studies aiming to elucidate the physical principles of droplet interactions and suspension flow using both high- and low-fidelity numerical simulations.

We first study flow-assisted droplet assembly in microfluidic channels, seeking to harness the droplet interactions to produce photonic bandgap materials. A novel interface-correction level set/ghost fluid method (ICLS/GFM) is developed to directly simulate liquid droplets under depletion forces. Comparing to previous methods, ICLS/GFM conserves the global mass of each fluid using a simple mass-correction scheme, accurately computes the surface tension and depletion forces under the same framework, and has subsequently been applied to investigate the droplet clustering observed in a microfluidic experiment. Our simulations, supported by theoretical derivations, suggest that the observed fast self-assembly arises from a combination of strong depletion forces, confinement-mediated shear alignments of the droplets, and fine-tuned inflow conditions of the microchannel. However, the interplay of these 3D effects negates a simple droplet interaction model of parametric dependence, rendering the design of microfluidic chips for photonic crystal fabrications difficult in practice.

The next objective of the thesis is the implementation of a minimal hybrid lubrication/granular dynamics (HLGD) model for simulation of dense particle suspensions. The main ingredients of HLGD include (i) a frame-invariant, short-range lubrication model for spherical particles, and (ii) a soft-core, stick/slide frictional contact model activated when particles overlap. Since contact interactions dominate at high particle concentrations, we expect the methodology to be applicable for probing the jamming of non-spherical particles and the rheology of foams as well.

Finally, we include two miscellaneous studies concerning the slippage property of liquid-infused surfaces and droplets statistics in a homogeneous turbulent shear flow. Overall, results of these simulations provide detailed flow visualisations and qualitative dependence of the target functional on various governing parameters, facilitating experimental and theoretical investigations to design more robust drag-reducing surfaces and predict droplet distributions in emulsions.

Abstract [sv]

Mikro- till millimeter stora droppar, exakt genererade eller hållna i en kontrollerad miljö, har stor potential i många olika tekniska tillämpningar. De representerar en grundläggande teknik vid uppbyggnad av metamaterial, transport av läkemedel i kroppen, som bärare av ytaktiva medel, vid minskning av friktion och dämpning av turbulens. Växelverkan mellan droppar från parvis till kollektivnivå är den viktigaste faktorn för att kontrollera dessa processer; ändå är lite känt om de detaljerade mekanismerna vid olika icke-ideala förhållanden. I denna avhandling kombineras ett antal studier som syftar till att belysa de fysikaliska principerna för dropp-växelverkningar och suspensionsflöden med numeriska simuleringar av högre och lägre noggrannhet.

Vi studerar först flödesassisterad droppmontering i mikrofluidkanaler och försöker utnyttja dropp-växelverkningar för att producera fotoniska bandgapmaterial. En ny interface-correction level set/ghost fluid method (ICLS/GFM) är utvecklad för att direkt simulera vätskedroppar under inverkan av utarmningskrafter. Jämfört med tidigare metoder bevarar ICLS/GFM den totala massan för varje fluid med hjälp av ett enkelt masskorrigeringsschema, och beräknar exakt ytspänningen och utarmningskrafterna under samma omständigheter. Detta tillämpas sedan för att undersöka droppklustring, något som observerats i mikrofluidiska experiment. Våra simuleringar, med stöd av teoretiska härledningar, antyder att den observerade snabba klustringen uppstår på grund av en kombination av starka utarmningskrafter och inneslutningsförmedlade skjuvkrafter på dropparna samt finjusterade inflödesförhållanden för mikrokanalen. Men samspelet mellan dessa 3D-effekter omöjliggör en enkel parameterberoende dropp-växelverkningsmodell vilket gör att utformningen av mikrofluidiska chips för fotonisk kristallfabrikation är svår i praktiken.

Nästa fokus i avhandlingen är implementeringen av en minimal hybrid lubrication/granular dynamics (HLGD) för simulering av täta partikelsuspensioner. Två huvudingredienser i modellen är (i) en referensram-invariant smörjmodell med kort räckvidd för sfäriska partiklar, och (ii) en stick/slip friktionskontaktmodell med mjuk kärna som aktiveras när partiklar överlappar varandra. Eftersom kontakt-växelverkningar dominerar fysikaliskt vid höga partikelkoncentrationer, förväntar vi oss att metodologin också är tillämplig för att undersöka inklämning av icke-sfäriska partiklar och reologi för skum.

Slutligen inkluderar vi också två studier rörande glidningsegenskaper hos vätske-bemängda ytor och droppstatistik i ett homogent turbulent skjuvflöde. Sammantaget ger resultaten av dessa simuleringar detaljerade flödesvisualiseringar, kvalitativt beroende av målfunktionen på olika reglerande parametrar, underlättar, experimentellt och teoretiskt, utformningen av mer robusta dragreducerande ytor samt förutsäger droppfördelningar i emulsioner.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2020. p. 76
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2020:04
Keywords
droplets, suspension, multiphase flow, microfluidics, soft matter, rheology, depletion force, level set, ghost fluid., droppar, suspension, flerfasflöde, mikrofluidik, mjukt material, reologi, utarmningskraft, nivåuppsättning, spökvätska.
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-268953 (URN)978-91-7873-456-6 (ISBN)
Public defence
2020-03-27, https://kth-se.zoom.us/j/270282702 och sal F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Projects
Soft Matter
Note

QC200304

Available from: 2020-03-04 Created: 2020-02-27 Last updated: 2022-09-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records

Ge, ZhouyangBrandt, Luca

Search in DiVA

By author/editor
Ge, ZhouyangBrandt, Luca
By organisation
MechanicsLinné Flow Center, FLOWSeRC - Swedish e-Science Research Centre
In the same journal
Physical Review Fluids
Fluid Mechanics and Acoustics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 162 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf