Análisis de inestabilidades en un filamento fluido sobre un sustrato horizontal

ANDRÉS F. ORDOÑEZ; AGUSTÍN BRONDINO; DIEGO M. CAMPANA; SEBASTIÁN UBAL

Paraná

Congreso; IV Congreso de Microfluídica Argentina; 2017

Facultad de Ingeniería (Universidad Nacional de Entre Ríos)

Cuando un filamento continuo de fluido es depositado sobre una superficie sólida, podría generarse (dependiendo de las condiciones) una inestabilidad capilar que da lugar al rompimiento del hilo en fragmentos menores, y la formación de un conjunto de gotas. Este fenómeno tiene también aplicaciones prácticas diversas. Las tecnologías de impresión por inyección de tinta se vienen utilizando desde hace unas dos décadas en aplicaciones tales como electrónica impresa, prototipado rápido, funcionalización de superficies y escritura directa. En todas ellas resulta de importancia central conocer las características de estabilidad del filamento fluido, siendo el rompimiento del mismo una característica indeseada en la mayoría de los casos. El proceso ha sido estudiado a nivel fundamental por diversos autores desde el trabajo seminal de Davis, que analiza los aspectos fundamentales de la estabilidad del filamento, hasta trabajos experimentales como Ravazzoli et. al, que estudia la hidrodinámica del filamento y la línea de contacto.En este trabajo se estudia numéricamente un filamento fluido tridimensional finito, depositado sobre un sustrato horizontal plano. Se parte desde un estado inicial modelado como por un semicilindro con tapas semiesféricas, con alta relación de aspecto largo/ancho. Bajo estas condiciones la curvatura de la superficie libre en los extremos actúa como precursor de un flujo que inicia la retracción del filamento, desde las puntas hacia el centro. Dependiendo de factores como la relación de aspecto y el ángulo de contacto inicial, el filamento puede evolucionar hacia la formación de una única gota, o a la sucesiva fragmentación en múltiples gotas. Un punto fundamental en la dinámica del sistema es la evolución de la línea de contacto en la interfaz sólido-líquido.En este trabajo se estudia este aspecto aplicando la condición de deslizamiento de Navier y la implementación de un modelo fenomenológico para la relación entre el ángulo de contacto dinámico y la velocidad de la línea de contacto. El modelado se realiza usando el software Comsol®, en el cual se aprovecha la simetría axial y transversal del filamento para modelar solo un cuarto de su volumen. En el mismo se resuelven las ecuaciones de Navier Stokes para fluido incompresible usando el Método de Elementos Finitos y el método conocido como Arbitrary Lagrangian-Eulerian para seguir la deformación de la superficie libre y del dominio fluido. Los resultados se comparan con el estudio de Ravazzoli et. al, mostrando que el modelo fenomenológico de la línea de contacto, logra capturar los aspectos fundamentales del sistema, como la evolución del frente de avance y los perfiles de altura y contorno del filamento.