Capillary Dynamics of Water/Ethanol Mixtures

Surface tension and contact angle play important roles in capillary dynamics during washing commission of spray-dried detergent powder where interaction between surface chemistry and liquid is concerned. An experimental study for the dynamics of water/ethanol mixtures in both hydrophilic and hydrophobic capillary tubes has been investigated. The combination of water/ethanol mixtures and trimethylchlorosilane coating on capillaries provides a variety of liquid surface tension and contact angle for the penetrating system. Significant differences of penetrating speed on hydrophilic and hydrophobic tubes indicate that dynamic contact angle dominates the hydrophobic surface while liquid surface tension plays a more important role on the hydrophilic surface. The speed gradient of different liquids on hydrophilic surface is greater than the hydrophobic surface, mainly due to the domination between hydrogen bonding structures and water polarity while liquid moves on surfaces covered with different chemistry, physically absorbed water on silica capillaries or silanol group covered capillaries

Yield Stress Fluids Solidifying in Capillary Imbibition

When subjected to an external stress that exceeds the yield stress ($\sigma_\mathrm{Y}$), yield stress fluids (YSFs) undergo a solid-to-liquid transition. Despite the extensive studies, there has been limited attention to the process of liquid-to-solid transition. This work examines the solidification of YSFs through capillary imbibition, easily observed in the processes of wetting, coating, spreading, and wicking. During gradual deceleration of the capillary rise, YSFs display an unexpected flowing behavior, even when subjected to stresses below the $\sigma_\mathrm{Y}$. We propose a model with numerical solutions based on rheological properties of YSFs and slip to capture this unusual, yet universal behavior

Experimental, Theoretical and Numerical Evaluation of Wicking Models for Liquid Imbibition in Dry Porous Wicks

Nowadays commercial wicks are utilized by consumer product companies in several important commercial applications including Tiki® Brand torches, the passive lubricants of machine gears, propellant management device, and fragrance dispersion units. Spontaneous imbibition of a liquid into porous wicks, also called wicking, is modeled using the single-phase Darcy’s law after assuming a sharp flow-front marked by full saturation behind the front. An analytical expression for the height of the wicking flow-front as a function of time is tested through comprehensive experiments using different wicks and an oil as the wicking liquid. We proposed a model based on sharp liquid-front where a good match with the experimental data was achieved. However, the proposed model based on the sharp liquid-front fails to account for partial saturation in the wicks. As a result, we applied the Richards equation to predict partial liquid saturations in wicks where the equation is solved numerically in 2-D using COMSOL and analytically in 1-D using Mathematica for glass-fiber wicks after treating them as transversely-isotropic porous media. As a novel contribution, the relative permeability and capillary pressure are determined directly from pore-scale simulations in wick microstructure using the state-of-the-art software GeoDict. The saturation along the wick length is determined experimentally through a new liquid-N2 based freezing technique. After including the gravity effect, good agreements between the numerical/analytical predictions and experimental results are achieved in saturation distributions. We also validated the Richards equation-based model while predicting absorbed liquid-mass into the wick as a function of time. A series of wicking experiments with wicks procured from our industrial partners were conducted where the use of a dyed liquid revealed essentially three types of macroscopic (visual) fronts—sharp, semi-sharp, and diffuse. The particulate wicks (i.e. the wicks formed by sintering polymer beads) invariably formed sharp fronts, while the fibrous wicks (i.e. wicks formed from fibers) formed either semi-sharp or diffuse fronts. The porosity was also found to play a role—the lower-porosity fibrous wicks displayed semi-sharp fronts, while the higher-porosity fibrous wicks caused the fronts to be diffuse. A study of SEM (Scanning Electron Microscopy) micrographs revealed that the latter behavior was caused by clustering of fibers thus leading to the formation of an inhomogeneous porous medium (perhaps promoting finger formation on micro-fronts). The experiments also revealed that the visually-observed fronts, for most parts, achieved a good match with the fronts estimated through the sharp-front mass gain formula. (Such a match was found to be lacking in the fibrous wicks displaying diffuse fronts.) We also investigated two parameters of interest to the users of wicks: 1) steady-state (SS) height reached by the visual front at very large times, 2) the liquid supply rate when the front is near the top. The parameters estimated using our sharp-front model matched well with the experimentally-observed ones. Finally, we conducted a CFD simulation using FLUENT where the flow of wicking liquid through a 2D microstructure made of ellipses of varying aspect ratio was modeled. A series of microstructures were created by varying the ellipse aspect ratio from 1:1 (20*20 µm) to 1:64 (20*1280 µm), with lower values representing particulate porous media and the higher values representing fibrous porous media. To study the effect of porosity, two values of 50% and 70% were considered. The flow simulation in particulate porous media produced somewhat even micro-fronts that indicate a flat visual (macroscopic) front. On the other hand, simulations in fibrous porous media produced highly uneven micro-fronts that point to a semi-sharp or diffuse visual fronts. Increasing the porosity results in clustering of solid phase and leads to further increase in the unevenness of micro-fronts, thus pointing to purely diffuse visual fronts. The evolution of saturation plots along the flow direction, obtained using a grid superimposed on fluid distribution pictures, was also studied and the predictions matched our previous experimental and numerical observations, i.e., particulate media create sharp fronts while fibrous media create diffuse fronts

Transitional phenomena in oil mist filtration

Ölnebel, also gasgetragene Öltröpfchen, finden sich in einer Vielzahl von automobilen und industriellen Anwendungen wie zum Beispiel der Entlüftung von Kurbelwellengehäusen, zerspanenden Bearbeitungszentren oder der Druckluft-aufbereitung. Die Filtration von Ölnebel unterscheidet sich grundlegend von weit bekannteren Filtrationsarten wie beispielsweise der Staubfiltration oder der Fest-Flüssig-Trennung. Ölnebelfilter zählen daher zu einer Unterkategorie der Koaleszenzfilter, deren Wirkungsweise im Allgemeinen weit weniger von der Fachliteratur beleuchtet wird, als dies bei den populäreren Filtrationsarten der Fall ist. Im Wesentlichen unterscheiden sich Ölnebelfilter von den klassischen Filtrations-arten darin, dass abgeschiedene Öltröpfchen nicht am Ort der Abscheidung verbleiben, sondern miteinander koaleszieren, durch Luftströmung und Kapillar-kräfte im Filter verteilt werden und letztendlich den Filter als Drainage auf der Rückseite verlassen. Bei kontinuierlicher und konstanter Filtration wird das Einsetzen der Drainage auch als der Beginn des stationären Zustandes bezeichnet. Werden Filter darüberhinaus weiterbetrieben, bleiben Betriebs-parameter wie die Drainagerate, die Ölsättigung des Filters, der Druckverlust sowie die Effizienz konstant. Dementsprechend spielt der stationäre Zustand eine herausragende Rolle für die Bewertung des Betriebsverhaltens von Ölnebelfiltern. Ein bedeutender und richtungsweisender Beitrag zum besseren Verständnis der physikalischen Vorgänge in stationär betriebenen Ölnebelfiltern ist das Kanal-Film-Modell von Kampa (2014). Dieses Modell stellt auch den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit dar. Das Kanal-Film-Modell beschreibt die Auswirkung des abgeschiedenen Öls auf den Filterdruckverlust, $\Delta$p, im stationären Betriebszustand. Dieser setzt sich dabei aus einem Kanaldruckverlust, $\Delta$p$_{\text{channel}}$, und Filmdruckverlust, $\Delta$p$_{\text{jump}}$, zusammen. $\Delta$p$_{\text{channel}}$ hat seinen Ursprung im Filterinneren und lässt sich kanalartigen Ölstrukturen zuordnen, welche von der Luftströmung durch den Filter geleitet werden. $\Delta$p$_{\text{jump}}$ kommt dadurch zustande, dass die zu filternde Luft einen dünnen Ölfilm durch kleinste Poren im Filtermedium passieren muss. Der Ort der Filmbildung hängt von der Benetzbarkeit der verwendeten Medien mit Öl ab: bei Benetzbaren auf der Filterrückseite und bei Nicht-benetzbaren auf der Vorderseite. Die Erkenntnisse von Kampa zeigten erstmals die grundlegenden Mechanismen hinter den lange bekannten Beladungskurven von Ölnebelfiltern unterschiedlicher Benetzbarkeit auf. Darüberhinaus kann das Kanal-Film-Modell auch zur Vorhersage des stationären $\Delta$p verwendet werden. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, den universellen Anspruch des Kanal-Film-Modells zu untersuchen und seine Anwendbarkeit um wichtige Kenngrößen zu erweitern. Die Untersuchungen zielen dabei nicht nur auf mögliche Modellerweiterungen ab, sondern auch auf bisher im Verborgenen liegende Grenzen des Modells. Direkte und indirekte Hinweise auf solche Grenzen finden sich in der Literatur zumeist in Form von unbekannten Phänomenen beim Übergang eines Ölnebelfilters in den stationären Zustand und darüber hinaus. Die vorliegende Arbeit umfasst eine kritische Prüfung der einschlägigen Literatur, eine Eingrenzung des thematischen Rahmens sowie des gesteckten Ziels dieser Arbeit, fünf Hauptkapitel mit neuen Ergebnissen, ein zusammenfassendes Fazit sowie einen Ausblick. Vier der Hauptkapitel (Kapitel 6, 8, 9 und 10) sind unabhängig voneinander weil in ihrer Form bereits veröffentlicht. Kapitel 7 basiert teilweise auf einer Publikation, enthält aber auch unveröffentlichten Inhalt. Die Hauptkapitel widmen sich folgenden Untersuchungen: - Der Einfluss der Anströmgeschwindigkeit auf $\Delta$p$_{\text{channel}}$ und $\Delta$p$_{\text{jump}}$. - Die Ursache von $\Delta$p$_{\text{jump}}$ und sein Zusammenhang mit der Filmstruktur. - Eine Erweitung des Kanal-Film-Modells um die Effizienz. - Der Anstieg von $\Delta$p über den stationären Zustand hinaus. - Die Genauigkeit von Porengrößenverteilungen in Ölnebel-Filtermedien. Die Untersuchungen sind überwiegend experimenteller Natur und beschränken sich auf weitverbreitete Glasfaserpapiere (benetzbar und nicht-benetzbar), welche zu mehrlagigen ebenen Filtern konfektioniert werden. Für die Generierung von sub-mikronem Ölnebel wird ein repräsentatives Öl für Schraubenkompressoren verwendet. Ölanlieferraten wurden zwischen 5 und 1100 mg/(m$^{\text{2}}$s) variiert; Anströmgeschwindigkeiten zwischen 5 und 70 cm/s. Die Bereiche dieser beiden prominenten Betriebsparameter decken nahezu alle Anwendungen der Ölnebelfiltration ab. Im ersten Hauptkapitel, Kapitel 6, wird anhand eines repräsentativen benetz-baren Filtermediums untersucht, inwiefern $\Delta$p$_{\text{jump}}$, $\Delta$p$_{\text{channel}}$ und die Sättigung im Kanalbereich von der Anströmgeschwindigkeit und der Ölanlieferrate abhängen. (Der Einfluss der Anströmgeschwindigkeit fand keine Berücksichtigung bei Kampa.) Im Rahmen der Messgenauigkeiten ist $\Delta$p$_{\text{jump}}$ unabhängig von diesen beiden Betriebsparametern. Der Einfluss von abgeschiedenem Öl auf $\Delta$p$_{\text{channel}}$ wird anhand des Exzess-$\Delta$p, $\Delta$p$_{\text{channel}}$-$\Delta$p$_{\text{0}}$, untersucht. Das Exzess-$\Delta$p nimmt mit der Ölanlieferrate zu, bleibt aber weitgehend konstant mit der Anströmgeschwindigkeit. Mit anderen Worten: Gleiche Ölmassenströme resultieren auch in einem gleichen Wert für den exzess Kanaldruckverlust und größere Ölmassenströme benötigen mehr exzess Kanaldruckverlust. Daher lässt sich das Exzess-$\Delta$p auch als die für den Öltransport benötigte Energie interpretieren. Ein konstantes Exzess-$\Delta$p bei gleicher Ölanlieferrate aber unterschiedlicher Anströmgeschwindigkeit wird dadurch erreicht, dass bei höheren Anström-geschwindigkeiten sich die Sättigung im Kanalbereich reduziert. Aus Bildanalysen des Kanalbereichs geht hervor, dass sich die Sättigung dabei über den Kanaldurchmesser und nicht über die Anzahl der Kanäle anpasst. Diese Beobachtung lässt sich auf die Koaleszenzkaskade im vordersten Bereich der Ölnebelfilter zurückführen. Hier wird der Großteil der feinen Öltröpfchen abgeschieden und koalesziert in größere Tropfen, welche letztendlich in einen Ölkanal münden. Weder das Einzugsgebiet für einen Kanal noch die Koales-zenz von verschiedenen Kanälen untereinander scheinen dabei von den beiden untersuchten Betriebsparametern abzuhängen. In Kapitel 6 wird des Weiteren das Phänomen eines (sehr) langsamen Anstiegs von $\Delta$p über den stationären Zustand hinaus vorgestellt. Dieses Phänomen des sogenannten Kriechens des Druckverlustes nimmt mit der Ölanlieferrate und der Anströmgeschwindigkeit zu und wird in Kapitel 9 detailliert behandelt. In Kapitel 10 wird aufgezeigt, dass $\Delta$p$_{\text{jump}}$ sich aus der Kapillarität von benetz-baren Filtermedien ergibt und nicht aus der Filmdicke, wie es die Veröffentlichungen von Chang et al. (2016, 2017) nahelegen. Eine gute Näherung für $\Delta$p$_{\text{jump}}$ ist der sogennante Bubble Point, der dem kapillaren Austrittsdruck der größten Poren im Filtermedium entspricht und sich mittels Kapillarflussporometrie bestimmen lässt. Experimente wurden mit 4 verschiedenen Medien mit größten Porenklassen zwischen 28 und 47 $\mu$m und Anströmgeschwindigkeiten zwischen 5 und 70 cm/s durchgeführt. Abgesehen von einer erheblichen Streuung der Messwerte bleibt $\Delta$p$_{\text{jump}}$ dabei annähernd konstant. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Anzahl der Poren in der größten Klasse für die meisten Volumenströme in industriellen Anwendungen ausreicht. Im darauffolgenden Kapitel 8 wird das Kanal-Film-Modell erfolgreich auf die Effizienz von Ölnebelfiltern übertragen. Es wird ein neuer Ansatz vorgestellt, mit dessen Hilfe sich der Gesamtwirkungsgrad mehrlagiger Filter in die jeweiligen Beiträge des Films, der Kanäle sowie den Koaleszenzbereich in der ersten Lage von benetzbaren Filtern zerlegen lässt. Alle untersuchten Medienlagen (je zwei Arten von nicht benetzbaren und benetzbaren Medien) verlieren einen wesentlichen Teil ihrer Effizienz durch die Beladung mit Öl. Die erste Lage weist die höchste Sättigung und damit den größten Unterschied zwischen Nass- und Trockeneffizienz von kleineren Tröpfchen (500 nm) hingegen werden besser abgeschieden -- vermutlich aufgrund der höheren Geschwindigkeit im Inneren der ersten Lage. Eine typische Kanallage verliert an Effizienz in allen Größenklassen, wobei die nicht benetzbaren Medien effizienter bei der Abscheidung von größeren Tropfen sind. Für alle Medien verhält sich der Film wie ein Trägheitsabscheider mit einer 50%-igen Abscheidung für etwa 250 nm große Tröpfchen. Größere Tropfen werden daher durch den Film fast vollständig getrennt, während kleinere Tröpfchen diesen ohne signifikante Abscheidung passieren. Die Weiterentwicklung des Kanal-Film-Modells ermöglicht es, den Fraktions-abscheidegrad von Ölnebelfiltern mit zunehmender Lagenzahl vorherzusagen. Bei einlagigen Filtern bestimmt die Abscheidung des Films den Gesamtwirkungsgrad. Mit zunehmender Lagenzahl verliert die Filmeffizienz an Bedeutung und die Abscheidung im Kanalbereich dominiert. Die Erkenntnis über eine signifikante Abscheidung von größeren Tröpfchen durch den Film relativiert die oft betonte Rolle der Geschwindigkeitserhöhung im Filterinneren und erklärt scheinbar widersprüchliche Daten in der einschlägigen Literatur. Anhand von Messungen der Gesamtzahlkonzentration wird außerdem gezeigt, dass die Erzeugung von Nebel durch platzende Blasen im Film mit zunehmender Effizienz oder Anzahl an Filterlagen an Bedeutung gewinnt. Dieses Sekundär-aerosol stellt nicht nur für die Emission von Ölnebelfiltern eine Untergrenze dar, sondern auch für die Anwendung des weiterentwickelten Kanal-Film-Modells in dieser Arbeit. In Kapitel 9 wird der stationäre Zustand für den kontinuierlichen sowie diskontinuierlichen Betrieb von Ölnebelfiltern eingehend betrachtet. Der Einfluss der Filtermedienstruktur auf das Phänomen des Kriechens wird anhand von vier benetzbaren Medien (von offen- bis feinporig) untersucht. Filtrationsversuche werden sowohl mit anfänglich trockenen als auch mit vorgesättigten Filtern durchgeführt. Vorgesättigte Filter weisen generell höhere Werte für Druckverlust und Sättigung auf, was sich auf die beobachtete Abwesenheit von Ölkanälen und eine homogenere Verteilung des abgeschiedenen Öls zurückführen lässt. Bei offenporigen Filtermedien sind die Unterschiede im Druckverlust des stationären Zustands zwischen vorgesättigten und anfänglich trockenen Filtern kaum wahrnehmbar; nehmen aber mit zunehmender Feinheit deutlich zu. Während sich die Sättigung S von anfänglich trockenen Filtern umgekehrt proportional (S$\sim$v$^{\text{-1}}$) zur Anströmgeschwindigkeit v verhält, schwächt sich diese Abhängigkeit bei vorgesättigten Filtern deutlich ab (S$\sim$v$^{\text{-0.23}}$). Im kontinuierlichen Betrieb erreichen vorgesättigte Filter relativ rasch einen stationären Zustand mit einem konstanten und zeitlich stabilen Druckverlust. Bei anfänglich trockenen Filtern beobachtet man dagegen einen langsamen Anstieg von Sättigung und $\Delta$p über den stationären Zustand hinaus. Letzterer ist bei anfänglich trockenen Filtern durch ein zeitliches Abflachen des Druckverlustes und den Beginn der Drainage gekennzeichnet. Das Kriechen von Sättigung und $\Delta$p wird durch Ölanlieferraten von 1100 mg/(m$^{\text{2}}$s) beschleunigt und in zeitlich begrenzten Experimenten (100 Stunden) untersucht. Bei offenporigen Filtermedien ist das Kriechen nach weniger als 20 Stunden Beladung beendet. Diese Filter nähern sich der Sättigung ihrer vorgesättigten Vergleichsexperimente aber ohne einer Konvergenz des Druckverlustes, da die Ölkanäle erhalten bleiben. Feinporige Filtermedien zeigen zwar ein ähnliches Verhalten, erreichen allerdings nie einen echten stationären Zustand innerhalb einer praktikablen Beladungszeit. Die Ursache für das Phänomen des Kriechens ist offenbar die Abscheidung und Ansammlung von feinsten Öltröpfchen in der Tiefe des Filters zwischen den Ölkanälen. In Kapitel 9 wird auch untersucht, inwiefern sich der diskontinuierliche Betrieb auf die Sättigung und den Druckverlust auswirkt. Bei einer Unterbrechung der Filtration kommt es in anfänglich trockenen Filtern zu einer kapillaren Umverteilung der Flüssigkeit und zu einer homogeneren Verteilung des Öls. Das Fortsetzen der Filtration führt daher zu einem sprunghaften Anstieg von $\Delta$p auf ein höheres stationäres Niveau. Der Anstieg des Druckverlusts begrenzt sich allerdings auf wenige Ein-Aus-Zyklen und bleibt dabei weit unter dem deutlich höheren stationären $\Delta$p von vorgesättigten Filtern. Der vorgesättigte Zustand kann allerdings auch für anfänglich trockene Filtermedien erreicht werden: Eine Reduzierung der Anströmgeschwindigkeit führt entsprechend der o.g. Korrelation, S$\sim$v$^{\text{-1}}$, zu einer deutlich höheren Sättigung. Wird nach einer solchen Vorsättigung im Betrieb die Anströmgeschwindigkeit wieder auf ihren ursprünglichen Wert erhöht, geht die Struktur der Ölkanäle unwiederruflich verloren, und der Filter befindet sich im gleichen Zustand wie sein vorgesättigtes äquivalent. Das letzte Hauptkapitel, Kapitel 10, untersucht die Genauigkeit der Kapillar-flussporometrie als eine Schlüsselmethode zur Charakterisierung von Porengrößenverteilungen von Filtermedien aus Mikroglasfasern. Fluorkohlenwasserstoffe, die häufig bei dieser Methode als Benetzungsflüssigkeit zum Einsatz kommen, verdunsten während einer Messung mit trockener Druckluft. Die Verdunstung beschleunigt sich insbesondere, wenn die Probenoberfläche von einem nassen in einen feuchten Zustand übergeht. Dieses Phänomen wird durch eine abrupte und charakteristische Trennung in der Mitte der Porengrößenverteilung sichtbar und führt dazu, dass ein Großteil der kleineren Porenklassen sich nicht in den Messergebnissen widerspiegelt. Die Lage der Porengrößenverteilung wird daher durch die Kinetik der Verdunstung bestimmt und ist damit für unterschiedliche Labore und Messgeräte kaum kontrollierbar. Eine zuverlässigere Messung von Porengrößenverteilungen lässt sich unter Verwendung von schwerflüchtigen Silikonölen durchführen. Messungen mit dieser Benetzungsflüssigkeit zeigen, dass etwa 20% der Porengrößenverteilung in dem untersuchten Medium kleiner als 2 $\mu$m sind, was in etwa 400 mbar Differenzdruck entspricht. Aufgrund des hohen Kapillardrucks in diesen Porengrößen kann die hier eingeschlossene Flüssigkeit nicht mittels Kapillarflussporometrie, und darüber hinaus auch nicht in Filtrationsvorgängen durch Luft verdrängt werden. Des Weiteren kann ein Einfluss der Viskosität des Benetzungsmittels, wie in der Literatur vermutet, nicht nachgewiesen werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in der vorliegenden Arbeit das Kanal-Film-Modell für variable Betriebsbedingungen validiert und um den Fraktionsabscheidegrad erweitert wird. Die Erweiterung des Kanal-Film-Modells ermöglicht daher die Auslegung von Ölnebelfiltern bei vorgegebenen Grenzwerten für Druckverlust und Effizienz in stationärem Zustand. Im Kontext des erweiterten Modells werden auch etablierte, manchmal jedoch widersprüchliche Erkenntnisse aus der einschlägigen Literatur neu bewertet. Dabei bilden die in dieser Arbeit aufgedeckten, bisher noch unbekannten Phänomene bei der Beladung von Ölnebelfiltern ein Schlüsselelement, um diese scheinbar konträren Positionen zu vereinen

Computational Analysis of Fluid Flow, Heat Transfer, and Phase Change in Capillary Channels

The fluid mechanics and heat transfer associated with capillary-driven flows are of great interest for modeling transport phenomena in micro/miniature devices. Currently, a deeper understanding of this area is necessary for the design of more effective products. The primary objective of this dissertation is to develop a novel computational fluid dynamics model to study the dynamics of meniscus formation, capillary flow, heat transfer, and phase change between vertical parallel plates. To do so, an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) approach is employed to predict and reconstruct the shape of the meniscus with no need to employ implicit interface tracking schemes. The developed model is validated by comparing the equilibrium capillary height and meniscus shape with those predicted by available theoretical models. The model was used to predict the capillary flow of water in hydrophilic (silver) and hydrophobic (Teflon) vertical channels with wall spacings ranging from 0.5 mm to 3 mm. It is shown that the computational model accurately predicts the capillary flow regardless of the channel width, whereas the theoretical models fail at relatively large wall spacings. The model captures several important hydrodynamic phenomena that cannot be accounted for in the theoretical models, including the presence of developing flow in the entrance region, time-dependent formation of the meniscus, and the inertial effects of the liquid in the reservoir. In the next step, the previously developed ALE model was extended to directly track the formation and evolution of the evaporating meniscus during spontaneous liquid penetration within a capillary channel. The two-dimensional time-dependent conservation equations for mass, momentum, and energy were solved in a finite-volume framework implemented on a moving and deforming grid. The sharp interface tracking method developed here enables direct access to the flow variables and transport fluxes at the meniscus with no need for averaging techniques. The model was validated by comparing the predicted dynamic response of the capillary height subject to interfacial evaporation against theoretical results. The effects of wall spacing and liquid superheat on the capillary flow, and the evaporation rate were studied. It was found that thermal diffusion adjacent to the meniscus has a critical effect on the evaporation rate, and neglecting it leads to significant overprediction of the evaporation rate. Results show that, in general, the inclusion of evaporation causes a reduction of the liquid column height compared to the non-evaporating case. It was also observed that the equilibrium capillary height is inversely proportional to the liquid superheat. Analyses of the transient regime show that evaporation tends to dampen the oscillatory flow regime compared to the non-evaporating meniscus case

Understanding liquid movements in textiles for the development of liquid repellent strategies

The understanding of the liquid movements in textiles is important to the development of novel liquid repellent strategies based on the manipulation of liquid motion. In this thesis we focus on the two areas that have received little attention: (1) the liquid permeation across the thickness of a single-layer textile following the deposition of a static droplet and (2) the liquid movements following the impact of droplets on a single-layer textile. In the study of area (1) we report a time-resolved high resolution X-ray imaging of the motion of the liquid-vapour interface in the textile thickness direction. The imaging of the time-dependent position of the interface is made possible by the use of ultra-high viscosity liquids (dynamic viscosity 2.5·106 times higher than that of water). Imaging results suggested a three-stage permeation mechanism with each stage being associated with one type of capillary channels in the textile geometry. We also showed that the permeation dynamics cannot be described by the popular Washburn theory. In the study of area (2) we record the impact of droplets on textiles with high-speed imaging. We showed that the impact on textiles at short timescales involved no droplet shape deformation if the textile’s porosity was sufficiently high. We also showed that droplets could be captured by the textiles under some impact conditions. By balancing the dynamic and capillary pressures we showed that the droplet penetration was governed by a threshold pore size and the droplet diameter. Moreover, we identified 5 stages for the liquid spreading on the textile surfaces following the impact. Within the investigated range of impact velocity the surface chemistry of the textiles was unimportant in the determination of liquid repellency. We also investigated the transplanar liquid permeation across non-wettable textiles following the deposition of droplets. We showed that the permeation was governed by a critical pore size and the weight of the deposited liquid. We discussed the limitation of the Gillespie scaling, developed for the prediction of in-plane spreading area in papers, in the description of the in-plane capillary spreading dynamics in textiles

Hydrodynamic characteristics and capillary-assisted heat transfer enhancement of non-condensing/condensing two-phase flows

Interfacial characteristics of two-phase flows were studied through visualization experiments and numerical simulation using computational fluid dynamics (CFD) based on the volume-of-fluid (VOF)-continuum surface force (CSF) method. An experimentally-validated analytical method was also presented for the geometrical correction of the optically-distorted objects in cylindrical tubes that is applicable to geometrical measurements (e.g., liquid-gas interfaces, solid particles, gas bubbles, void fraction) inside the tubes. The numerically-simulated two-phase flows agreed favorably with the visually-observed flows. The simulation of two-phase flows under reduced gravities indicated the important contribution of gravity on hydrodynamics of intermediate scale two-phase flows such as void fraction, pressure drop, slip ratio, and bubble velocity; the pressure drop of horizontal plug/bubble flows and Taylor bubble velocity of vertical slug flow is minimum around normal gravity. The computational model is then extended to account for convective and condensation heat transfer. The numerical results for a vertical slug flow show that a porous-tube-insert (PTI) promotes the internal liquid circulations in both axial and radial directions resulting in an enhanced convective heat transfer up to five times of that in bare tube. In addition, the PTI enhances the flow condensation heat transfer up to three times mainly due to the enforced ultra-thin liquid film near the tube wall and increased area for thin-film condensation

Dynamic Wetting by Viscous Liquids: Effects of Softness, Wettability and Curvature of the Substrate and Influence of External Electric Fields

The wetting of solid surfaces by liquids is commonly observed in nature, and it is also a key to a number of industrial applications and biological processes. In the past two centuries, most studies about wetting were devoted mainly to equilibrium situations and thus to static measurements. However, in most cases the dynamic wetting is more relevant and it has received less attension. The goal of this thesis is to study the effects of softness, wettability and curvature of the substrate and influence of external electric fields on dynamic wetting of viscous liquids. The thesis contains two main parts. The first part focuses on the early dynamic wetting of simple liquids on two types of surfaces that show different complexity: flat viscoelastic substrates and highly curved solid microparticles. On the viscoelastic substrates, a novel wetting stage dominated by inertia was found. The dynamics in this stage is characterized by the wetting radius, r=K't^α, following a power law similarly as on rigid surfaces, with the exponent α only depending on surface wettability. After the inertial wetting stage, spreading slows down and enters another stage dominated by the viscoelasticity of the substrate. The transition between inertial and viscoelastic stage is controlled by the surface “softness”. A simple theory was developed with Prof. Martin E.R. Shanahan to explain these findings. An early inertial wetting stage was also observed during the snap-in process, i.e. the wetting, of single colloidal particles into large water drops. The snap-in time is dependent on the capillary force and on inertia, but is independent on surface wettability. In contrast, the snap-in force is larger for hydrophilic and smaller for hydrophobic particles. A scaling model was proposed to describe the snap-in or early wetting of individual colloids. The second part of the thesis is devoted to study the dynamic wetting of rigid flat surfaces by simple and viscous liquids. First, the early spreading of drops of aqueous electrolyte solutions on various wettable surfaces driven by electrostatic forces, which was termed “electrospreading”, was investigated. It was found that early electrospreading is only dominated by inertia and electrostatics. The wetting dynamics is not only dependent on surface wettability and applied electric potential, but also on the concentration of the electrolyte solutions. The electrostatic energy stored in the electric double layer near the solid-liquid interface served as an additional energy for driving drop spreading. Based on molecular dynamics simulation done by Dr. Chunli Li, a simple scaling model was presented to describe the wetting dynamics. Finally, a systematic study of dynamic wetting of various wettable surfaces by viscous liquids was carried out. Both surface wettability and liquid viscosity influence the inertial stage of wetting as well as the viscous stage. During the inertial wetting stage, the effective mass of the spreading drop is affected by surface wettability and liquid viscosity. This results in a slower spreading speed on hydrophobic surfaces, or of highly viscous liquids. Viscous wetting did not take place on all substrates, but only on those surfaces with equilibrium contact angles smaller than a critical value, which depended again on liquid viscosity. A scaling law was proposed to explain these experimental observations