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Gravitational effects on coffee-ring formation during the evaporation of sessile droplets

咖啡环效应 物理 平流 蒸发 表面张力 万有引力 戒指(化学) 扩散 传质 机械 材料科学 热力学 化学 经典力学 有机化学
作者
M. R. Moore,Alexander W. Wray
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:967
标识
DOI:10.1017/jfm.2023.493
摘要

We consider the role of gravity in solute transport when a thin droplet evaporates. Under the physically relevant assumptions that the contact line is pinned and the solutal Péclet number, ${Pe}$ , is large, we identify two asymptotic regimes that depend on the size of the Bond number, ${Bo}$ . When ${Bo} = O(1)$ as ${Pe}\rightarrow \infty$ , the asymptotic structure of solute transport follows directly from the surface-tension-dominated regime, whereby advection drives solute towards the contact line, only to be countered by local diffusive effects, leading to the formation of the famous ‘coffee ring.’ In the distinguished limit in which ${Bo} = O({Pe}^{4/3})$ as ${Pe}\rightarrow \infty$ , this interplay between advection and diffusion takes place alongside that between surface tension and gravity. In each regime, we perform a systematic asymptotic analysis of the solute transport and compare our predictions to numerical simulations. We identify the effect of gravity on the nascent coffee ring, providing quantitative predictions of the size, location and shape of the solute mass profile. In particular, for a fixed Péclet number, as the effect of gravity increases, the coffee ring is diminished in height and situated further from the contact line. Furthermore, for certain values of ${Bo}$ , ${Pe}$ and the evaporation time, a secondary peak may exist inside the classical coffee ring. The onset of this secondary peak is linked to the change in type of the critical point in the solute mass profile at the droplet centre. Both the onset and the peak characteristics are shown to be independent of ${Pe}$ .

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