Dynamics of capillary flow in an undulated tube

毛细管作用 机械 物理 管(容器) 惯性 无量纲量 毛细管数 流量(数学) 振荡(细胞信号) 粘度 流体力学 经典力学 热力学 材料科学 化学 复合材料 生物化学
作者
Jiechao Lei,Zhimin Xu,Fengxian Xin,Tian Jian Lu
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:33 (5) 被引量:24
标识
DOI:10.1063/5.0048868
摘要

From biology to engineering, while numerous applications are based on capillary phenomena in tubes having roughened surfaces, such as blood transport, paper-based rapid diagnostics, microfluidic fuel cells, and shale gas transport, the dynamics of such capillary flow remains poorly understood. We present a theoretical model for a circular undulated tube that has an idealized cosine-type inner wall characterized by two key morphological parameters: undulation amplitude and axial wave number. With the tube oriented at an arbitrary angle, we first characterize the apparent contact angle of the fluid as a function of local distortion angle and then establish a theoretical model involving inertia, viscosity, and gravity to describe the dynamics of capillary flow. A dimensionless number combining the three forces is introduced to quantify their influence. The model predictions reveal that, in an undulated tube with large wave numbers, the capillary height in equilibrium state is generally lower than that in a smooth tube of similar dimensions, whereas the reverse holds if the wave number becomes relatively small. When the viscosity of fluid is sufficiently small, capillary oscillation in an undulated tube is alleviated relative to that in a smooth tube, and hence stable capillary flow forms more easily in the former.
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