Шероховатость стенок микроканала влияет на движение жидкости, однако одного показателя высоты неровностей недостаточно, чтобы оценить их гидродинамический эффект. Значение имеют также форма выступов, расстояние между ними и особенности переходов между участками поверхности.
Исследователи Академического университета им. Ж. И. Алфёрова, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Московского физико-технического института предложили единый подход к сравнению разных типов микрорельефа. Результаты опубликованы в журнале Capillarity в статье «Topology-driven analysis of wall-roughness effects in microfluidic micro-electro-mechanical systems cells».
Четыре типа стенок — в одинаковых условиях
Микрофлюидные системы применяются в биохимическом и электрохимическом анализе, а также в устройствах формата «лаборатория на чипе». В таких системах геометрия стенок может влиять на распределение скорости жидкости и гидравлическое сопротивление канала.
Для сравнения исследователи рассмотрели четыре типа профиля стенки: прямоугольный, пилообразный, гребневый и ступенчатый. В вычислительной модели использовались одинаковые внешние размеры канала и условия ламинарного течения, а изменялась форма нижней стенки. Это позволило сравнивать гидродинамические эффекты, связанные именно с геометрией поверхности.
Авторы использовали вычислительную гидродинамику (CFD), а также провели независимые экспериментальные измерения смачиваемости материалов. Такой подход позволил разделить два фактора: влияние геометрии канала на движение жидкости и свойства поверхности материала, определяющие её взаимодействие с жидкостью.
Почему одного показателя шероховатости недостаточно
Один из выводов исследования — среднеквадратичная шероховатость сама по себе не позволяет полноценно описать гидродинамический эффект микрорельефа. Профили с похожими значениями этого параметра могут различаться по минимальному зазору, длине контакта жидкости со стенкой и характеру геометрических переходов.
Эти различия отражаются на локальном распределении скорости, напряжениях сдвига и гидравлическом сопротивлении. Например, резкие сужения и расширения могут сопровождаться локальными изменениями давления и возникновением зон рециркуляции. Поэтому при сравнении профилей важно учитывать не только высоту неровностей, но и их структуру.
Авторы также показывают, что ступенчатая топология может перераспределять скорость потока, сохраняя эффективное проходное сечение. При этом исследование не сводится к поиску одного универсально лучшего профиля: результат зависит от геометрии и рассматриваемых гидродинамических характеристик.
Как отделить влияние геометрии от свойств материала
Измерение статических углов контакта
О вычислительном и экспериментальном подходах рассказывает Анастасия Кондратьева, соавтор исследования, сотрудник лаборатории оптики гетерогенных структур и оптических материалов Академического университета:
«В работе мы намеренно разделили эти два мира. Численное моделирование описывает микрометровую гидродинамику полностью заполненного канала. А как мы оцениваем свойства самого материала, его нано- и микрометровую химию поверхности? С помощью метода стоячей капли (sessile-drop method)», — объясняет исследовательница.
Метод стоячей капли позволяет оценивать смачиваемость поверхности по форме капли жидкости и контактному углу. В исследовании такие измерения проводились независимо от CFD-моделирования, чтобы учитывать свойства материалов отдельно от влияния геометрии канала.
«Понимание того, как материал смачивается “сам по себе” (через каплю), и того, как геометрия канала перераспределяет поток (через CFD), даёт инженеру полную карту. Мы не должны смешивать эти методы, мы должны использовать их совместно», — отмечает Анастасия Кондратьева.
По словам автора, такой подход также может быть полезен при первичном сравнении новых полимеров и покрытий для микроэлектромеханических систем (MEMS) — до проведения более ресурсоёмкого численного моделирования.
Что дают результаты исследования
Работа предлагает единый подход к сопоставлению разных типов микрорельефа в одинаковых условиях. Он помогает оценивать влияние геометрии стенок на течение жидкости с учётом нескольких параметров, а не только статистической высоты неровностей.
Авторы отмечают, что предложенная методика формирует основу для дальнейших исследований гидродинамики на разных масштабах и позволяет обозначить ограничения аналитических моделей при описании сложных профилей стенок.
