Применимость стоксовского приближения для расчета скорости паровоздушной струи над локально нагретой поверхностью воды

Об авторах:

Актаев Нуркен Ерболатович, кандидат физико-математических наук, Научно-исследовательская лаборатория микрогидродинамических технологий, Тюменский государственный университет; n.e.aktaev@utmn.ru; ORCID: 0000-0002-9750-2183

Пенкина Татьяна Андреевна, ассистент, кафедра документоведения и документационного обеспечения управления, Тюменский государственный университет; t.a.penkina@utmn.ru

Аннотация:

В работе построена математическая модель паровоздушной струи, возникающей над локально нагретой поверхностью воды. Модель базируется на системе уравнений свободной конвекции в приближении Буссинеска и реализована в виде компьютерной программы на языке Cи. В результате численного моделирования получены поля скоростей струи при различных значениях температуры поверхности воды. Проведено сравнение значений скоростей струи, полученных в рамках стоксовского приближения, с расчетными значениями, опирающимися на результаты экспериментов по левитации микрокапель воды. В результате сравнения сформулировано условие применимости стоксовского приближения для оценки скорости паровоздушной струи.

Список литературы:

1. Agresti J. J. Ultrahigh-throughput screening in drop-based microfluidics for directed evolution / J. J. Agresti, E. Antipov, A. R. Abate, K. Ahn, A. C. Rowat, J.-C. Baret, M. Marquez, A. M. Klibanov, A. D. Griffiths, D. A. Weitz // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2010. Vol. 107. № 9. Pp. 4004-4009.

2. Aktaev N. E. Langevin approach to modeling of small levitating ordered droplet clusters / N. E. Aktaev, A. A. Fedorets, E. Y. Bormashenko, M. Nosonovsky // Journal of Physical Chemistry Letters. 2018. Vol. 9. № 14. Pp. 3834-3838.

3. Chowdhury M. S. Dendronized fluorosurfactant for highly stable water-in-fluorinated oil emulsions with minimal inter-droplet transfer of small molecules / M. S. Chowdhury, W. Zheng, S. Kumari, J. Heyman, X. Zhang, P. Dey, D. A. Weitz, R. Haag // Nature Communications. 2019. Vol. 10. № 1. Article № 4546.

4. Fedorets A. A. Generation of levitating droplet clusters above the locally heated water surface: a thermal analysis of modified installation / A. A. Fedorets, L. A. Dombrovsky // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 104. Pp. 1268-1274.

5. Fedorets A. A. Mechanism of stabilization of location of a droplet cluster above the liquid-gas interface / A. A. Fedorets // Technical Physics Letters. 2012. Vol. 38. № 11. Pp. 988-990.

6. Fedorets A. A. Oscillatory motion of a droplet cluster / A. A. Fedorets, N. E. Aktaev, D. N. Gabyshev, E. Yu. Bormashenko, L. A. Dombrovsky, M. Nosonovsky // Journal of Physical Chemistry C. 2019. Vol. 123. Pp. 23572-23576.

7. Fedorets A. A. Suppression of the condensational growth of droplets of a levitating cluster using the modulation of the laser heating power / A. A. Fedorets, N. E. Aktaev, L. A. Dombrovsky // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 127. Pp. 660-664.

8. Jiao L. Highly flexible and ultraprecise manipulation of light-levitated femtoliter/picoliter droplets / L. Jiao, R. Chen, X. Zhu, Q. Liao, H. Wang, L. An, J. Zhu, X. He, H. Feng // Journal of Physical Chemistry Letters. 2019. Vol. 10. № 5. Pp. 1068-1077.

9. Kabov O. A. Locally heated shear-driven liquid films in microchannels and minichannels / O. A. Kabov, Yu. V. Lyulin, I. V. Marchuk, D. V. Zaitsev // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2007. Vol. 28. № 1. Pp. 103-111.

10. Nightingale A. M. Monitoring biomolecule concentrations in tissue using a wearable droplet microfluidic-based sensor / A. M. Nightingale, C. L. Leong, R. A. Burnish, S.-U. Hassan, Y. Zhang, G. F. Clough, M. G. Boutelle, D. Voegeli, X. Niu // Nature Communications. 2019. Vol. 10. № 1. Article № 2741.

11. Scheeline A. Potential of levitated drops to serve as microreactors for biophysical measurements / A. Scheeline, R. L. Behrens // Biophysical Chemistry. 2012. Vols. 165-166. Pp. 1-12.

12. Song H. A microfluidic system for controlling reaction networks in time / H. Song, J. D. Tice, R. F. Ismagilov // Angewandte Chemie. 2003. Vol. 42. № 7. Pp. 768-772.

13. Stone H. A. Engineering flows in small devices: microfluidics toward a lab-on-a-chip / H. A. Stone, A. D. Stroock, A. Ajdari // Annual Review of Fluid Mechanics. 2004. Vol. 36. Pp. 381-411.