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Active control of convection and mixing in thin liquid layer through surface-tension manipulation

Research Project

Project/Area Number 20K04322
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 19020:Thermal engineering-related
Research InstitutionYokohama National University

Principal Investigator

Nishino Koichi  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (90192690)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords対流 / 表面張力流 / 液膜 / 数値解析 / 次元解析 / レーザ加熱 / 能動制御 / 混合 / 表面張力 / 制御
Outline of Research at the Start

本研究では、シリコーンオイルの薄液膜を対象として、気液界面の局所温度を走査型レーザ照射によって制御することによって、薄液膜に発生する温度差駆動の表面張力流を操作し、液膜内の対流と混合を能動制御する方法論を構築する。
能動制御の実現性を実験的に示すだけでなく、現象の定式化とモデル化を経て、数値解析することも本研究の目的である。
そのような能動制御が実現すると、薄液膜に多数の局所対流と混合を同時に生起させることが可能となり、新しい工学的応用の道が開かれる。また、マイクロスケールにおける表面張力流を制御する方法論が構築され、幅広い工学分野の利用が期待される。

Outline of Final Research Achievements

Control of thermocapillary convection in thin liquid film is studied by means of the manipulation of surface tension at gas-liquid interface through the spot heating with a CO2 laser. The results are as follows. (1) A spot heating system is constructed by using a two-dimensional traversing mechanism. Stationary heating and linear-motion-type dynamic heating are given to the liquid film and experimental results for various laser powers, liquid film thickness, kinematic viscosities and traversing speeds are systematically accumulated. (2) A numerical technique for thermocapillary convection due to spot heating is proposed and its validity and accuracy is confirmed through the comparison with the experimental results. (3) The profiles of surface velocity due to spot heating show the presence of the 1st and 2nd peaks, and such unique characteristics are explained using non-dimensional parameters derived from the dimensional analysis.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

表面張力流は、液膜、液滴、気泡、液柱など、代表寸法が小さい気液界面の対流を支配する。本研究では、温度差駆動の表面張力流をCO2レーザの静的/動的スポット加熱によって操作することによって、小スケール界面における対流を能動制御する方法論を研究した。レーザ出力、液膜厚さ、動粘性係数、走査速度を変化させて取得した実験データの蓄積とともに、数値解析の方法も考案し、検証した。得られた研究成果から、薄液膜に局所対流を自在に生起・制御することが可能となり、薄液膜を対象とした新しい応用技術であるマイクロ流体制御、マイクロ物体搬送、局所混合制御、結晶成長制御など、幅広い工学分野での利用が期待できる。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results) Presentation (4 results)

  • [Journal Article] Internal flow structure and dynamic free-surface deformation of oscillatory thermocapillary convection in a high-Prandtl-number liquid bridge2022

    • Author(s)
      Taishi Yano, Yuki Mabuchi, Makoto Yamaguchi & Koichi Nishino
    • Journal Title

      Experiments in Fluids

      Volume: 63 Issue: 6

    • DOI

      10.1007/s00348-022-03453-2

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pattern selection for convective flow in a liquid bridge subjected to remote thermal action2022

    • Author(s)
      Yury Gaponenko, Taishi Yano, Koichi Nishino, Satoshi Matsumoto & Valentina Shevtsova
    • Journal Title

      Physics of Fluids

      Volume: 34 Issue: 9

    • DOI

      10.1063/5.0101901

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Numerical study on the effects of convective and radiative heat transfer on thermocapillary convection in a high-Prandtl-number liquid bridge in weightlessness2020

    • Author(s)
      Yano Taishi、Nishino Koichi
    • Journal Title

      Advances in Space Research

      Volume: 66 Issue: 8 Pages: 2047-2061

    • DOI

      10.1016/j.asr.2020.07.009

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Characteristics of unsteady surface tension convection driven by spot heating of a thin liquid layer2022

    • Author(s)
      Ratnanjali Tiwari & Koichi Nishino
    • Organizer
      第50回可視化情報シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 温度場・電場による液柱マランゴニ対流の挙2021

    • Author(s)
      山﨑魁人、西野耕一
    • Organizer
      第49回可視化情報シンポジウム
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 温度差マランゴニ対流を用いた液膜内部の対流制御2021

    • Author(s)
      小川秀真、西野耕一
    • Organizer
      日本マイクログラビティ応用学会 第33回学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] シリコーンオイルの表面張力の温度・電場依存性2020

    • Author(s)
      松野千映、矢野大志、西野耕一
    • Organizer
      日本マイクログラビティ応用学会 第32回学術講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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