Joule Heating

Joule heating과 electrothermal effect두개 모두를 이해하는 것은 micro devices의 적정한 설계를 하는데 중요한 요소입니다. FLOW-3D는 이러한 분야에 유용한 유동 시뮬레이션으로 사용되며 실질적인 과정을 모형화 할 수 있습니다.

Simulation of a Conducting Di-electric Fluid placed over Electrodes

Simulating electric potential with FLOW-3D

Joule heating은 전류가 유체와 같은 전도성 물질을 통과 할 때 발생합니다. microscopic level 에서 Joule heating은 움직이는 대전 입자 사이의 상호 작용에 의해 발생합니다. 추가적으로 유체 유동을 일으키는 전기장 하에 있다면 유체는 di-electric, polarization이 발생될 것입니다. FLOW-3D는 이러한 전기-동력학에 대한 효과를 정확히 포착할 수 있음을 아래이 예에서 볼 수 있습니다

아래 왼쪽 이미지는 세포 배양 챔버에서의 전극의 배치를 도시합니다. 파란색 전극은 9V의 양의 전위이고 핑크 전극은 동일한 음의 전위 -9V 입니다. 전도성 유체는 전극 위에 배치됩니다. 유체는 di-electric 상수의 값으로 주어지고, 이는 polarization을 유발합니다. 시간이 지남에 따라, 전기장을 따라 가는 유체의 편광 입자는 유체의 속도를 따르게 됩니다. (the electric field is shown in top left of the animation below).

이 시뮬레이션은 주울 가열로 인해 유체의 온도 상승을 보여줍니다. 온도는 시뮬레이션 마지막까지 500 °C까지 상승하고 시뮬레이션의 우측 절반에 보여준 바대로 FLOW-3D는 전기장 내부 di-electric fluid 유체 유동 현상을 보여줍니다. 유선은 유체 유동을 시각화하기 위해 FlowSight을 사용하여 도시화 되고, 전기장 강도에 의해 컬러화됩니다. 편광 입자가 전기장에 의해 주위로 이동하는 시간이 지남에 따라 독특한 순환 cell유체가 분명히 형성됩니다. 시뮬레이션의 왼쪽 상단 그래프는 전기장의 크기 윤곽을 보여줍니다.

Simulate Resistance Heating in Bubble Jet Printheads

열 기포 구동(Thermal bubble-driven) 프린트 헤드는 잉크의 작은 부피를 기화시키는 여러 방식을 필요로 합니다. 생성 된 증기 거품은 수백만의 다른 방울과 함께 인쇄 된 이미지를 생성, 작은 물방울을 만들어 노즐을 통해 잉크로 나오게 됩니다. 잉크를 가열하는 일반적인 방법은 저항, 즉, 주울 가열을 발생하기 위해 금속의 얇은 층을 통해 전류를 전달하는 것입니다.

This FLOW-3D simulation shows a thermal bubble opening, where the heating element is inside the base.

정확한 양의 열이 생성되도록 기간과 전기적 펄스의 주기와 크기가 주의 깊게 선택 되어야 합니다. 너무 적은 열은 잉크가 증발되지 않습니다. 너무 많은 열은 물방울이 너무 커서 프린트 헤드에 손상의 원인이 됩니다. FLOW-3D는 열 버블 제트 프린트 헤드에 있는 많은 복잡하게 얽혀있는 물리적 과정을 시뮬레이션하는 데 필요한 모든 도구를 제공합니다.