[논문]모세관 단면 형상에 따른 계면 및 증발 특성

최충효; 진송완; 유정열

doi:10.3795/ksme-b.2007.31.4.313

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The effect of capillary cross-section geometry on evaporation is investigated in terms of the meniscus shape, evaporation rate and evaporation-induced flow for circular, square and rectangular cross-sectional capillaries. The shapes of water and ethanol menisci are not much different from each other...

The effect of capillary cross-section geometry on evaporation is investigated in terms of the meniscus shape, evaporation rate and evaporation-induced flow for circular, square and rectangular cross-sectional capillaries. The shapes of water and ethanol menisci are not much different from each other in square and rectangular capillaries even though the surface tension of water is much larger than that of ethanol. On the other hand, the shapes of water and ethanol menisci are very different from each other in circular capillary. The averaged evaporation fluxes in circular and rectangular capillaries are measured by tracking the meniscus position. At a given position, the averaged evaporation flux in rectangular capillaries is much larger than that in circular capillary with comparable hydraulic diameter. The flow near the evaporating meniscus is also measured using micro-PIV, so that the rotating vortex motion is observed near the evaporating ethanol and methanol menisci except for the case of methanol meniscus in rectangular capillary. This difference is considered to be due to the existence of corner menisci at the four comers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 원형 채널과 사각 채널을 이용하여 다른 단면을 가지는 모세관 내에서의 메니스커스의 모양, 증발 률, 증발이 일어날 때 발생하는 메니스커스 주변의 유동현상 등에 관하여 연구하고자 한다.

가설 설정

5 로부터 계산할 수 있는 터미널 메니스커스의 이동속도와 모세관의 단면적을 곱함으로써 단위 시간당 증발되는 양을 알 수 있고 S쓰^), 메니스커스의 표면적(S)으로 단위시간당 증발량을 나누어 줌으로써 단위 면적당 증발률을 알 수 있다. 4 각 채널인 경우 메니스커스 표면적은 획득한 이미지로부터 넓은 면에 생기는 메니스커스의 길이를 구한 후 폭이 1/10 인 좁은 면에 생기는 메니스커스의 길이는 넓은 면 메니스커스 길이의 1/10이라고 가정하고 두 메니스커스의 길이를 곱함으로써 계산하였다. 이와 같은 방법으로 계산한 채널 입구로부터의 거리에 따른 에탄올의 증발률을 Fig.

제안 방법

유지하였다. 또한 증발은 모세관한 쪽에서만 증발되도록 다른 한 쪽은 고분자 고점성의 물질로 막았으며 실험 시 온도는 광원에 의한 온도상승이 없음을 확인한 후 22 ± 1 ℃ 로 유지하며 자연 증발로 실험하였다. 10X 대물렌즈와 Olympus 1X50 형광 현미경을 사용하였으며, 메니스커스 모양을 관찰하고 증발량을 측정하기 위한 실험에서는 광원으로 할로겐 램프를 채 택 하였고 최대 해상도 1376 X 1040 pixels 를가진 cooled CCD 카메 라를 사용하였다.
마이크로 채널의 단면 형상이 채널 내 유체의 증발에 미치는 영향을 알아보기 위하여 원형 채널, 정 4 각형 채널, 직 4 각형 채널을 이용하여 메니스커스 형상, 증발률 변화, 메니스커스 주변의 유동 현상 등을 관찰하였다. 원형 채널 안에서 물과 에탄올의 메니스커스 모양은 표면장력의 차이로 인해 그 모양이 다르게 나타났다.
이러한 현상은 micro-PIV를 적용하는데 오차의 요인으로 작용할 수 있지만, 반면에 메니스커스의 위치를 찾는데 큰 도움이 된다. 이를 이용하여 각 이미지에서 밝게 나타나는 메니스커스의 위치를 찾을 수 있었고 그 메니스커스가 전체 이미지의 같은 위치에 있도록 이동시켜 메니스커스의 위치를 고정시켰다. 또한 이렇게 처리된 이미지를 모두 합하고 평균을 내어 고정되어있는 메니스커스 부분만 밝게 나타나는 이미지를 얻을 수 있고, 개별 이미지에서 평균 이미지를 뺌으로써 밝은 메니스커스 부분을 제거하여 메니스커스에서 일어나는 빛의 분산으로 인한 오차를 줄이고 메니스커스에 아주 근접한 영역의 속도까지 계산할 수 있었다.

대상 데이터

또한 증발은 모세관한 쪽에서만 증발되도록 다른 한 쪽은 고분자 고점성의 물질로 막았으며 실험 시 온도는 광원에 의한 온도상승이 없음을 확인한 후 22 ± 1 ℃ 로 유지하며 자연 증발로 실험하였다. 10X 대물렌즈와 Olympus 1X50 형광 현미경을 사용하였으며, 메니스커스 모양을 관찰하고 증발량을 측정하기 위한 실험에서는 광원으로 할로겐 램프를 채 택 하였고 최대 해상도 1376 X 1040 pixels 를가진 cooled CCD 카메 라를 사용하였다.
원형 모세관의 직경은 50, 200, 300, 400이다. 또한 메니스커스의 모양을 비교해보기 위하여 400 X 400 um 의 정사각 채 널을 추가적 으로 사용하였다.
본 실험에서 사용된 모세관은 borosilicate 로 만들어졌으며 실험을 하기 전 RCA-1 용액 (玮0 + H2O2 + NHQH, 5:1:1)으로 세척한 후 마지막으로 질소를 사용하여 모세관 내부에 이물질이 남아있지 않도록 하여 표면 조건을 동일하게 유지하였다. 또한 증발은 모세관한 쪽에서만 증발되도록 다른 한 쪽은 고분자 고점성의 물질로 막았으며 실험 시 온도는 광원에 의한 온도상승이 없음을 확인한 후 22 ± 1 ℃ 로 유지하며 자연 증발로 실험하였다.
실험에 사용된 4 각 모세관은 모서리 메니스커스의 영향을 일정하게 하기 위하여 동일한 형상비(aspect ratio)를 갖는 채널을 사용하였으며 빛의 굴절을 최소화하기 위하여 10:1 이라는 큰 비를 갖는 200 X 20, 400 X 40 “m 의 마이크로 채널을 사용하였다. 원형 모세관의 직경은 50, 200, 300, 400이다.
광원으로는 수은등을 별도의 셔터 없이 사용하였고 노출시간을 1/60 s 이하로 조절하여 유맥선이 얻어지는 것을、방지하였다. 영상을 얻기 위해 Olympus U-MWG 형광 필터 세트를 사용했으며 추적입자로는 직경이 1 tim 인형 광 입자(Molecular Probes, F-8819)를 사용하였다.

이론/모형

또한 증발이 일어날 때 메니스커스 주변의 유동을 Micro-PIV 기법을 이용하여 관찰하였다. 메탄올이 200 X 20-um 채 널 안에서 증발할 때를 제외하고 소용돌이 유동이 관찰되었다.

성능/효과

이는 증발은 메니스커스와 벽이 만나는 마이크로 영역의 면적에 비례하고 마이크로영역은 원주를 따라 분포하기 때문에 증발률이 직경에 따라 선형적으로 감소한다는 Buffbne 과 Sefiane 의 연구 결과와 일 치 한다.。) 반면 4각 채 널인 경우 단위면적당 증발률이 원형 채널의 경우보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있고 채널의 크기와 증발률이 비례하여 증가한다고 일반화할 수는 없으나 원형 채널과는 분명 상반되는 경향을 나타내는 것을 관찰할 수 있었다. 이것 역시 모서리 메니스커스의 형성에 의한 결과라고 판단된다.
이를 이용하여 각 이미지에서 밝게 나타나는 메니스커스의 위치를 찾을 수 있었고 그 메니스커스가 전체 이미지의 같은 위치에 있도록 이동시켜 메니스커스의 위치를 고정시켰다. 또한 이렇게 처리된 이미지를 모두 합하고 평균을 내어 고정되어있는 메니스커스 부분만 밝게 나타나는 이미지를 얻을 수 있고, 개별 이미지에서 평균 이미지를 뺌으로써 밝은 메니스커스 부분을 제거하여 메니스커스에서 일어나는 빛의 분산으로 인한 오차를 줄이고 메니스커스에 아주 근접한 영역의 속도까지 계산할 수 있었다.
메니스커스 위치를 이용하여 증발량을 측정한 결과 원형 채널에 비해 4 각 채널에서 단위 표면적당 증발률이 더 크게 나타났다. 이것은 모서리 메니스커스가 증발이 잘 일어나는 마이크로 영역을 크게 확장시키고 그 위치를 입구 영역으로 이동시킨 결과로 나타난 것이라 할 수 있다.
즉 유체의 표면장력이 메니스커스의 형상을 결정짓는 가장 큰 요소라고 할 수 있다. 본 실험에서 메니스커스는 증발 시작 초기에는 불안정한 형상을 하고 있다가 수 s 이내에 일정한 곡률의 메니스커스를 형성하고 측정한 시간 내내 그 형상을 일정하게 유지하면서 증발하는 것을 관찰할 수 있었다. 초기 불안정한 모양을 갖는 시간이 전체 관찰 시간에 비하여 매우 짧은 과도기에 해당하므로 이러한 기간은 관찰 기간에 포함하지 않았다.
본 연구를 통하여 마이크로 채널 내의 증발 현상은 채널 단면의 형상에 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있었으며 특히 원형 채널과 모서리가 존재하는 4 각 채널의 차이점이 큰 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 차이의 주된 원인은 4 각 채널의 모서리에 존재하는 모서리 메니스커스의 영향이라 예측된다.

후속연구

이때 발생하는 유동에 의하여 메니스커스 주변의 유동이 영향을 받을 것이라 추측할 수 있다. 이러한 차이의 원인을 정확하게 분석하고 이해하기 위해서는 메니스커스의 온도 측정, 4 각 채널 안에서 형성되는 메니스커스의 정확한 형상 분석 뿐만 아니라 채널의 중심으로부터 모서리 메니스커스 쪽으로 이동하는 유량 측정 및 모서리 메니스커스 내의 유동 측정과 같은 보다 다각적인 연구가 필요하다고 할 수 있다.

참고문헌 (10)

Renk, F.J. and Wayner Jr., P.C., 1979, 'An Evaporating Ethanol Meniscus: Part I, Experimental Studies,' Journal of Heat Transfer, Vol. 101, pp.55-58

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Renk, F.J. and Wayner Jr., P.C., 1979, 'An Evaporating Ethanol Meniscus: Part II, Analytical Studies,' Journal of Heat Transfer, Vol. 101, pp.59-62

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Moosman, S. and Homsy, G.M., 1980, 'Evaporating Menisci of Wetting Fluids,' Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 73, pp.212-223

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Homann, C. and Stephan, P.C., 2002, 'Microscale Temperature Measurement at an Evaporating Liquid Meniscus,' Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 26, pp. 157-162

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Park, J.S., Kim, H.J. and Kihm, K.D., 2001, 'Molecular Tagging Fluorescence Velocimetry (MTFV) for Lagrangian Flow Field Mapping Inside Evaporating Meniscus: Potential Use for Microscale Applications,' Journal of Flow Visualization and Image Processing, Vol. 8, pp. 177-187

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Kim, S., Jin, S. and Yoo, J.Y., 2006, 'Fluid Near the Meniscus of a Pressure-Driven Water Slug in Microchannels,' Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 20, pp. 710-716

원문보기 상세보기
Park, J.S., Kim, H.J., Kihm, K.D. and Allen, J.S., 2003, ' Optically-Sectioned Micro PIV Measurements Using CLSM,' Journal of Heat Transfer, Vol. 125, pp.542

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Buffone, C. and Sefiane, K., 2004, 'IR Measurement of Interfacial Temperature during Phase Change in a Confined Environment,' Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 29, pp. 65-74

상세보기
Buffone, C. and Sefiane, K., 2004, 'Investigation of Thermocapillary Convection Patterns and Their Role in the Enhancement of Evaporation from Pores,' International Journal of Multiphase Flow,' Vol. 30, pp.1071-1091

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Camassel, B., Sghaier, N., Part, M. and Ben Nasrallah, S., 2005, 'Evaporation in a Capillary Tube of Square Cross-section: Application to Ion Transport,' Chemical Engineering Science, Vol. 60, pp. 815-826

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