[論文レビュー] Validating pore-scale models of drying using microfluidic experiments

Paolo Fantinel, Oshri Borgman+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2016

Fluid Dynamics and Thin Films参考文献 43被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、調整可能な不規則性を有する独自設計のマイクロフラウドデバイスを用いたマイクロフラウド実験と直接比較することで、多孔質媒体内の乾燥を2次元のポアネットワークモデルで検証した。モデルは幾何的特徴および乾燥パターンを正確に再現したが、液体クラスタの持続性や界面張力効果がモデルに組み込まれていないため、定量的乾燥速度には不満が残り、孤立した液体クラスタが蒸発ダイナミクスを制御する上で極めて重要な役割を果たしていることが明らかになった。

ABSTRACT

We present an experimental micro-model of drying porous media, based on microfluidic cells made of arrays of pillars on a regular grid, and complement these experiments with a matching two-dimensional pore-network model of drying. Disorder, or small-scale heterogeneity, was introduced into the cells by randomly varying the radii of the pillars, around their average value. The microfluidic chips were filled with a volatile oil and then dried horizontally, such that gravitational effects were excluded. The experimental and simulated drying rates and drying patterns were then compared in detail, for various levels of disorder, in order to verify the predictive capabilities of our model. The geometrical features were reproduced well, while reproducing drying rates proved to be more challenging.

研究の動機と目的

• 制御されたマイクロフラウド実験を用いて、多孔質媒体内の乾燥を対象としたポアネットワークモデル（PNM）の開発および検証を行う。
• 幾何的不規則性および不均一性が2次元多孔質系における乾燥速度およびパターンに与える影響を調査する。
• 特に孤立した液体クラスターや蒸発速度に関して、実験的およびシミュレーション的乾燥ダイナミクスの乖離を特定する。
• 表面張力およびウェッティング特性が乾燥過程における流体輸送およびクラスタ形成に果たす役割を評価する。
• 両者で同一の幾何形状を再現することで、実験的マイクロモデルと数値シミュレーションの間で直接的かつ高精度な比較を可能にする。

提案手法

• 規則的なグリッド上にマイクロピラーのアレイを有するマイクロフラウドチップを製造し、ピラー半径をランダムに変更することで制御された不規則性を導入した。
• 乾燥ダイナミクスに及ぼすウェッティング特性の影響を調査するため、揮発性油（低接触角）または水（高接触角）でチップを満たした。
• 重力の影響を排除するため水平方向の乾燥実験を実施し、毛管力および拡散輸送メカニズムに焦点を当てた。
• チップの幾何形状と完全に一致する2次元ポアネットワークモデルを構築し、乾燥過程における液体の流れと蒸気拡散をシミュレートした。
• 時間分解能を有する画像撮影を用いて乾燥フロントおよび孤立した液体クラスタを追跡し、シミュレーションと定量的比較を可能にした。
• 実験的およびシミュレーション的データから乾燥速度およびエラー数（クラスタ接続性の指標）を算出し、モデルの性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元ポアネットワークモデルは、マイクロフラウド多孔質媒体における実験的乾燥速度およびパターンをどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 幾何的不規則性は2次元多孔質ネットワーク内の乾燥ダイナミクスにどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 孤立した液体クラスタは乾燥速度にどのように影響を及ぼし、なぜシミュレーションではクラスタの消失速度が過大評価されるのか？
• RQ4 ウェッティング特性および表面張力は、孤立した流体クラスタの形成および持続性にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 マイクロフラウド実験は、乾燥のポアスケールモデルの高精度な検証プラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• ポアネットワークモデルはマイクロフラウドチップの幾何的特徴を正確に再現でき、実験とシミュレーションの直接比較を可能にした。
• 実験における乾燥速度はモデルの予測より遅く、主に蒸発が遅い孤立液体クラスタの持続性に起因する。
• クラスタ接続性を示すエラー数は、実験では時間経過とともに減少するが、シミュレーションでは増加するため、クラスタ進化に根本的な不一致が生じていることが示された。
• 油から水に流体を変更することで（接触角を約0°から約70°に上昇）、表面張力が高いため孤立クラスタ数が減少したが、乾燥速度や先端パターンに顕著な影響は認められなかった。
• 実験パターンにおけるステップごとの速度推定により、孤立クラスタの位置が乾燥速度を支配しており、その密度よりも重要であることが確認された。
• ランダムな不規則性そのものは乾燥速度やパターンに顕著な影響を及ぼさないが、大きな/小さなポアのパッチなどの相関する不均一性（例：相関した不均一性）は強い影響を及ぼすことが、併行研究で示された。