방사광 X-선 영상법을 이용한 소수성 미니/마이크로 채널 내 다양한 물-에탄올 혼합비에 따른 동적 접촉각 상관식 검토 및 소실 현상 분석

Abstract

본 연구는 방사광 X-선 이미징 기술을 활용하여 소수성 미니/마이크로 채널 내 슬러그의 유동 메커니즘을 분석했다. 특히, 동적 접촉각과 모세관 수 (Capillary Number, Ca)의 상관관계를 검토하고, 기존 상관식의 유효성을 검증하며, 다양한 물-에탄올 혼합비 조건에서 소실 현상을 정량적으로 평가하는 데 초점을맞추었다. 실험은 에탄올 질량비 E10-50%에 해당하는 혼합물과 다양한 유속 조건에서 수행되었다. 방사광 X-선 이미징을 통해 슬러그의 전단 및 후단 계면에서의 동적 접촉각 변화를 실시간으로 측정하였으며, 이를 기존 상관식과 비교하였다. 전단 계면에서는 기존 상관식이 높은 정확도를 보였으나, 후단 계면에서는 최대 47%의 오차가 관찰되어 개선의 필요성이 확인되었다. 또한, 점도와 표면장력과 같은 물성치가 소실 현상의 발생 임계 조건과 유동 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 본 연구는 소수성 채널 내 슬러그의 동적 접촉각을 기반으로 기존 상관식의 적용 범위를 검증하고, 확장 가능성을 평가하며 소실 현상의 임계 속도를 확인함으로써 소수성 채널 내 유동 제어의 효율성과 안정성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.|This study analyzed the flow mechanism of slugs in hydrophobic mini/microchannels using synchrotron X-ray imaging technology. Specifically, it focused on examining the correlation between dynamic contact angle and the capillary number (Ca), validating the applicability of existing correlation equations, and quantitatively evaluating dry-out phenomena under various water-ethanol mixture conditions. Experiments were conducted with mixtures corresponding to ethanol mass fractions of E10–E50% and at various flow rates. Using synchrotron X-ray imaging, real-time measurements of dynamic contact angle changes at the leading (shear) and trailing interfaces of slugs were performed and compared with existing correlations. The results showed that the existing correlations demonstrated high accuracy at the leading interface, but errors of up to 47% were observed at the trailing interface. This discrepancy highlights the need for improvement in the correlation equations, particularly to better account for the physical property variations at the trailing interface. Furthermore, the effects of physical properties, such as viscosity and surface tension, on the critical conditions for dry-out and flow stability were quantitatively analyzed. The study confirmed that surface wettability xii and the interaction of physical forces at the microscale significantly influence the dry-out phenomenon. This study contributes to enhancing the efficiency and stability of flow control in hydrophobic channels by validating and extending the applicability of existing correlation equations based on the dynamic contact angle of slugs. It also identifies the critical velocity for dry-out phenomena, providing insights for improving the design and operation of hydrophobic microfluidic systems.