Моделирование термокапиллярной конвекции в сидячей капле жидкости, индуцированной лазерным пучком

Об авторах:

Иванова Наталья Анатольевна , кандидат физико-математических наук, доцент, профессор кафедры прикладной и технической физики, Физико-технический институт, заведующий научно-исследовательской лабораторией фотоники и микрофлюидики, X-BIO, Тюменский государственный университет; eLibrary AuthorID, ORCID, Web of Science ResearcherID, Scopus AuthorID, n.ivanova@utmn.ru

Малюк Александр Юрьевич, аспирант кафедры прикладной и технической физики, младший научный сотрудник лаборатории фотоники и микрофлюидики, Тюменский государственный университет; ScopusID, a.malyuk@utmn.ru

Аннотация:

Приведены результаты численного исследования термокапиллярной конвекции, вызванной локальным тепловым потоком в сидячей капле малолетучей жидкости с неподвижной линией трехфазного контакта. Источником теплового потока служит поглощаемое жидкостью лазерное излучение. В исследовании рассмотрены сидячие капли бензилового спирта и этиленгликоля объемом 0,6 мкл при диапазоне мощности теплового потока от 2 до 85 мВт. В результате численного исследования получены поле скоростей и поле температур в жидкости и газовой фазе при термокапиллярной конвекции. Исследована эволюция профиля сидячей капли жидкости при термокапиллярной деформации. Получены зависимости фокусного расстояния преломляющей поверхности сидячей капли от мощности теплового потока. Проведен сравнительный анализ численных и экспериментальных данных фокусного расстояния, который показал хорошую корреляцию между численной моделью и экспериментом.

Список литературы:

1. Визнюк C. А. О термокапиллярном самовоздействии лазерного излучения в тонких слоях поглощающей жидкости / C. А. Визнюк, А. Т. Суходольский // Квантовая электроника. 1988. Том 15. № 4. С. 767-770.
2. Berge B. Variable focal lens controlled by an external voltage: An application of electrowetting / B. Berge, J. Peseux // The European Physical Journal E. 2000. Vol. 3. № 2. Pp. 159-163. DOI: 10.1007/s101890070029
3. Cheng C.-C. Dielectrically actuated liquid lens / C.-C. Cheng, J. A. Yeh // Optics Express. 2007. Vol. 15. № 12. Pp. 7140-7145. DOI: 10.1364/OE.15.007140
4. Dietzel M. Laser-induced motion in nanoparticle suspension droplets on a surface / M. Dietzel, D. Poulikakos // Physics of Fluids. 2005. Vol. 17. № 10. 102106. DOI: 10.1063/1.2098587
5. Dong L. Adaptive liquid microlenses activated by stimuli-responsive hydrogels / L. Dong, A. K. Agarwal, D. J. Beebe, H. Jiang // Nature. 2006. Vol. 442. № 7102. Pp. 551-554. DOI: 10.1038/nature05024
6. Hitt D. L. Radiation-driven thermocapillary flows in optically thick liquid films / D. L. Hitt, M. K. Smith // Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. 1993. Vol. 5. № 11. Pp. 2624-2632. DOI: 10.1063/1.858726
7. Jeong K.-H. Tunable microdoublet lens array / K.-H. Jeong, G. L. Liu, N. Chronis, L. P. Lee // Optics Express. 2004. Vol. 12. № 11. Pp. 2494-2500. DOI: 10.1364/OPEX.12.002494
8. Karapetsas G. Thermocapillary droplet actuation: Effect of solid structure and wettability / G. Karapetsas, N. T. Chamakos, A. G. Papathanasiou // Langmuir. 2017. Vol. 33. № 41. Pp. 10838-10850. DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b02762
9. Karpitschka S. Marangoni contraction of evaporating sessile droplets of binary mixtures / S. Karpitschka, F. Liebig, H. Riegler // Langmuir. 2017. Vol. 33. № 19. Pp. 4682-4687. DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b00740
10. Koyama D. High-speed focus scanning by an acoustic variable-focus liquid lens / D. Koyama, R. Isago, K. Nakamura // Japanese Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 50. № 7. 07HE26. DOI: 10.1143/JJAP.50.07HE26
11. López C. A. Electrochemically activated adaptive liquid lens / C. A. López, C.-C. Lee, A. H. Hirsa // Applied Physics Letters. 2005. Vol. 87. № 13. 134102. Pp. 1-3. DOI: 10.1063/1.2058209
12. Malyuk A. Yu. Optofluidic lens actuated by laser-induced solutocapillary forces / A. Yu. Malyuk, N. A. Ivanova // Optics Communications. 2017. Vol. 392. Pp. 123-127. DOI: 10.1016/j.optcom.2017.01.040
13. Malyuk A. Yu. Varifocal liquid lens actuated by laser-induced thermal Marangoni forces / A. Yu. Malyuk, N. A. Ivanova // Applied Physics Letters. 2018. Vol. 112. № 10. 103701. DOI: 10.1063/1.5023222
14. Marchuk I. V. Thermocapillary deformation of a horizontal liquid layer under flash local surface heating / I. V. Marchuk // Journal of Engineering Thermophysics. 2015. Vol. 24. № 4. Pp. 381-385. DOI: 10.1134/S181023281504013X
15. Marchuk I. V. Thermocapillary deformation of a thin locally heated horizontal liquid layer / I. V. Marchuk // Journal of Engineering Thermophysics. 2009. Vol. 18. № 3. Pp. 227-237. DOI: 10.1134/S1810232809030047
16. Moran P. M. Fluidic lenses with variable focal length / P. M. Moran, S. Dharmatilleke, A. H. Khaw, K. W. Tan, M. L. Chan, I. Rodriguez // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 88. № 4. 041120. Pp. 1-3. DOI: 10.1063/1.2168245
17. Seow Y. C. Different curvatures of tunable liquid microlens via the control of laminar flow rate / Y. C. Seow, A. Q. Liu, L. K. Chin, X. C. Li, H. J. Huang, T. H. Cheng, X. Q. Zhou // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 93. № 8. 084101. DOI: 10.1063/1.2976210
18. Tsoumpas Y. Effect of Marangoni flows on the shape of thin sessile droplets evaporating into air / Y. Tsoumpas, S. Dehaeck, A. Rednikov, P. Colinet // Langmuir. 2015. Vol. 31. № 49. Pp. 13334-13340. DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b02673
19. Uchiyama K. Thermal lens microscope / K. Uchiyama, A. Hibara, H. Kimura, T. Sawada, T. Kitamori // Japanese Journal of Applied Physics. 2000. Vol. 39. № 9A. Pp. 5316-5322. DOI: 10.1143/JJAP.39.5316