[논문 리뷰] Highly Viscous Microjet Generator

Hajime Onuki, Yuto Oi외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 18.

3D Printing in Biomedical Research참고 문헌 29인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 액체 용기의 타격력, 잠긴 모세관과 오목한 멘리스 수면, 그리고 유량 집중 기법을 사용하여 고점성 미세분무를 생성하는 저비용 간단한 장치를 제시한다. 분무 속도는 최대 500 mm²/s에 이르며, 초기 액체 속도보다 30배 이상 빠르다. 점성은 집중 단계에서 분무 속도를 감소시키며, 이는 레이놀즈 수(Re)로 정량적으로 기술된다.

ABSTRACT

This paper describes a simple yet novel system for generating a highly viscous microjet. The jet is produced inside a wettable thin tube partially submerged in a liquid. The gas-liquid interface inside the tube, which is initially concave, is kept much deeper than that outside the tube. An impulsive force applied at the bottom of a liquid container leads to significant acceleration of the liquid inside the tube followed by flow-focusing due to the concave interface. The jet generation process can be divided into two parts that occur in different time scales, i.e. the Impact time (impact duration $\le O(10^{-4})$ s) and Focusing time (focusing duration $\gg O(10^{-4})$ s). In Impact time, the liquid accelerates suddenly due to the impact. In Focusing time, the microjet emerges due to flow-focusing. In order to explain the sudden acceleration inside the tube in Impact time, we develop a physical model based on a pressure impulse approach. Numerical simulations confirm the proposed model, indicating that the basic mechanism of the acceleration of the liquid due to the impulsive force is elucidated. Remarkably, the viscous effect is negligible in Impact time. In contrast, in Focusing time, the viscosity plays an important role in the microjet generation. We experimentally and numerically investigate the velocity of microjets with various viscosities. We find that higher viscosities lead to reduction of the jet velocity, which can be described by using Reynolds number (the ratio between the inertia force and the viscous force). This novel device may be a starting point for next-generation technologies, such as high-viscosity inkjet printers including bioprinters and needle-free injection devices for minimally invasive medical treatments.

연구 동기 및 목표

• 고점성 액체(최대 500 mm²/s)에서 미세분무를 생성할 수 있는 단순하고 저비용 장치를 개발하는 것.
• 기존 인쇄기의 제한 사항을 극복하기 위해 점성이 낮은 유체(≤20 mm²/s)에 국한된 기존 잉크젯 시스템의 문제점(흐림, 색조 퇄색)을 해결하는 것.
• 고점성 기능성 액체를 사용한 차세대 응용 분야, 예를 들어 생체 인쇄, 주사하지 않는 약물 투여, 도전성 인쇄를 가능하게 하는 것.
• 타격 유도 가속과 유량 집중 분무 발생이라는 두 가지 시간 영역에서의 미세분무 형성 물리 메커니즘을 이해하는 것.
• 레이놀즈 수를 사용하여 점성의 영향을 정량적으로 기술함으로써 집중 단계에서의 분무 속도 감소 메커니즘을 규명하는 것.

제안 방법

• 액체로 채워진 용기의 하단에 타격력을 가하여 타격 시간 척도(≤10⁻⁴ s) 내에서 액체의 급격한 가속을 유도한다.
• 미세한 친수성 모세관이 부분적으로 잠기며, 관 내부의 액체 수위가 외부보다 깊어지도록 유지되어 오목한 기-액 인터페이스를 형성한다.
• 오목한 인터페이스는 흐름 집중을 가능하게 하여, 집중 시간(≫10⁻⁴ s) 동안 액체를 미세분무로 가속화한다.
• 타격 시간의 물리적 메커니즘은 나비에-스토크스 방정식을 타격 지속 시간 동안 적분하여 유도된 압력 임펄스 접근법으로 모델링된다.
• 자유 표면를 추적하고 분무 형성을 포착하기 위해 비압축성 나비에-스토크스 방정식과 체적 유체(VOF) 방법을 사용한 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 점성과 분무 속도의 관계를 분석하며, 점성 영향의 정량적 기술을 위해 레이놀즈 수(Re = U'r/ν)를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 잉크젯 시스템과 호환되지 않는 고점성 액체(최대 500 mm²/s)에서 단순하고 저비용 장치로 어떻게 미세분무를 생성할 수 있는가?
• RQ2 타격 시간 척도(≤10⁻⁴ s) 내에서 액체 가속을 가능하게 하는 물리적 메커니즘은 무엇이며, 높은 점성에도 불구하고 이를 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 집중 시간 동안 점성이 최종 분무 속도에 어떤 영향을 미치며, 이 영향은 무차원 수를 사용해 정량적으로 기술할 수 있는가?
• RQ4 집중 시간 동안 형성되는 점성 경계층이 흐름 집중에 어떤 영향을 미치고, 분무 속도를 어떻게 감소시키는가?
• RQ5 이 장치는 다중 방향 분무를 가능하게 하여 비정형 표면에 인쇄할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 기존 잉크젯 프린터의 20 mm²/s 제한을 훨씬 초월하는 점성까지 500 mm²/s까지의 액체에서 미세분무를 성공적으로 생성한다.
• 타격 시간 동안 액체는 압력 임펄스로 인해 급격히 가속되며, 이 가속 단계에서 점성의 영향은 무시할 만큼 작다.
• 오목한 표면에서의 효과적인 유량 집중으로 인해, 관 내 초기 액체 속도보다 분무 속도가 30배 이상 향상된다.
• 집중 시간 동안 높은 점성이 분무 속도를 감소시키며, 이 감소는 레이놀즈 수(Re)로 정량적으로 기술되며, Re가 감소할수록 분무 속도가 감소한다.
• 경계층 두께를 δ* = √(2/Re)로 정규화하면, 이는 분무 속도 향상 요소 β의 감소와 상관관계를 가지며, Re ≲ 200일 때 점성 효과가 두드러지게 된다.
• 모델과 시뮬레이션 결과는 다양한 점성과 관 반경에서 실험 데이터와 잘 일치하여 물리적 메커니즘과 Re가 점성 의존적 분무 속도에 미치는 역할을 검증한다.