MICROSCALE OBSERVABLES FOR HEAT AND MASS TRANSPORT IN SUB-MICRON SCALE EVAPORATING THIN FILM
저자
발행사항
Texas : Graduate Studies of Texas A&M University, 2004
학위논문사항
Thesis(doctoral)-- Graduate Studies of Texas A&M University : Mechanical Engineering 2004
발행연도
2004
작성언어
영어
주제어
KDC
553.88 판사항(4)
DDC
621.57 판사항(21)
발행국(도시)
Texas
형태사항
xviii, 160p. : Charts ; 26cm
일반주기명
References: p. 153-159
소장기관
증발현상이 존재하는 메니스커스에서 마이크로/나노 스케일의 유동현상과 열/물질 전달현상을 고찰하기 위한 수치해석 모델이 개발되었다. 특히 박막의 천이영역에서 비등온상태의 상경계조건을 고려했다. 또한 본 수치모델은 열모세관 효과, 벽면 슬립조건, 작동유체의 극성, 그리고 혼합유체의 증발현상이 열/물질전달에 미치는 영향을 고려했다. 해석적인 해의 결과는 열모세관 효과에 의해 온도구배가 증가하면 흡착영역의 박막두께와 박막의 길이가 줄어드는 경향을 보여주고 있다. 이는 열모세관 효과가 유체 박막의 젖음을 방해하기 때문이다. 이와 반대로 벽면의 슬립조건과 혼합유체의 영향은 박막 증발의 안정화에 기여한다. 벽면 슬립현상은 박막의 천이영역에서 유체의 저항을 줄여서 박막의 천이영역을 확대하고 증발에 의한 열전달을 촉진하는 역할을 한다. Pentane과 decane의 혼합유체의 경우, 박막의 길이를 늘려주어 열모세관 효과에 역으로 작용하며 이는 박막 증발의 안정화에 기여한다. 물의 극성은 분자간의 결합력을 증대시켜 박막의 길이를 현저하게 늘려주는데 이러한 강력한 결합력이 비극성 유체에 비해 증발을 억제하는 효과가 있다. 실험파트에서는 LIF 기법을 이용한 1 mm 지름의 가열된 모세관 튜브에서 온도장을 측정했다. 온도측정을 위해 형광물질 Rh-B와 Rh-110의 명암비와 온도와의 상관관계를 나타내는 켈리브레이션 커버를 얻었다. 형광물질의 명암비는 기존의 LIF 기법에서 통상적으로 나타나는 여러 가지 측정 에러가 없이 마이크로 스케일의 공간 해상도와 좋은 온도 의존성을 보여준다. 얻어진 켈리브레이션 커버의 타당성을 검정하기 위해 임의로 10 mm 두께의 유리 큐벳에 계층화된 온도장을 만들어 온도분포를 측정했다. 그 온도측정 결과는 예측치와 좋은 일치를 보였다. 본 실험에서 이 LIF 기법을 이용하여 1 mm 두께의 모세관에서 온도장을 측정해봄으로써 장래에 박막영역에서 온도장을 측정할 수 있는 가능성을 제시했다.
더보기A mathematical model is developed to describe the micro/nano-scale fluid flow
and heat/mass transfer phenomena in an evaporating extended meniscus, focusing on the transition film region under nonisothermal interfacial conditions. The model incorporates thermocapillary stresses at the liquid-vapor interface, a slip boundary condition on the solid wall, polarity contributions to the working fluid field, and binary mixture evaporation. The analytical results show that the adsorbed film thickness and the thin film length decrease with increasing superheat by the thermocapillary stresses, which influences detrimentally the evaporation process by degrading the wettability of the evaporating liquid film. In contrast, the slip effect and the binary mixture enhance the stability of thin film evaporation. The slip effect at the wall makes the liquid in the transition region flow with smaller flow resistance and thus the length of the transition region increases. In addition, the total evaporative heat flow rate increases due to the slip boundary condition. The mixture of pentane and decane increases the length of the thin film by counteracting the thermocapillary stress, which enhances the stability of the thin film evaporation. The polarity effect of water significantly elongates the thin film length due to the strong adhesion force of intermolecular interaction. The strong interaction force restrains the liquid from evaporation for a polar liquid compared to a non-polar liquid.
In the experimental part, laser induced fluorescence (LIF) thermometry has been used to measure the microscale temperature field of a heated capillary tube with a 1 mm by 1 mm square cross section. For the temperature measurement, the calibration curve between the temperature and the fluorescent intensity ratio of Rhodamine-B and Rhodamine-110 has been successfully obtained. The fluorescent intensity ratio provides microscale spatial resolution and good temperature dependency without any possible bias error caused by illuminating light and background noise usually encountered in conventional LIF techniques. For the validation of the calibration curve obtained,thermally stratified fields established inside a glass cuvette of 10 mm width were measured. The measurement result showed a good agreement with the linear prediction. The temperature measurement in a 1 mm capillary tube could provide the feasible method of temperature measurement for the thin film region in the future.
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