Rayleigh-Plateau-type instabilities in thin liquid films

Abstract

To date, flow processes of liquids on small scales have gained soaring attention due to the increased miniaturization trend, e. g. in lab-on-a-chip applications. As a result, the interactions at the interface between a solid and a liquid and their effects on the stability and the flow dynamics of thin liquid films denote essential questions. This study focusses on characterizing the impact of the hydrodynamic boundary condition at the solid/liquid interface on the Rayleigh-Plateau instability (RPI) of a liquid film on a cylindrical fibre. The variation of the boundary condition revealed a significant influence on the dynamics of the RPI. The comparison between the growth rates in the experiments and a thin film model provides a measure for the slip length. It is also found that the late stage of the RPI on a hydrophobic fibre provides moving droplets. That enabled the quantitative examination of the capillary-driven liquid transport along a fibre. The findings of this study highlight the importance of the hydrodynamic boundary condition for flows on small scales.

Fließprozesse von Flüssigkeiten auf kleinen Längenskalen gewinnen aktuell durch den zunehmenden Trend der Miniaturisierung, wie z. B. in Lab-on-a-Chip Anwendungen, an Bedeutung. Infolgedessen stellen die Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Substrat und Flüssigkeit sowie deren Einflüsse auf die Stabilität und die Fließdynamik dünner Flüssigkeitsfilme zentrale Fragestellungen dar. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung der Auswirkungen der hydrodynamischen Randbedingung an der fest/flüssig Grenzfläche auf die Rayleigh-Plateau Instabilität (RPI) eines Flüssigkeitsfilms auf einer zylinderförmigen Faser. Die Variation der Randbedingung zeigte einen signifikanten Einfluss auf die Dynamik der RPI. Der Vergleich zwischen den experimentell bestimmten Wachstumsraten und einem Dünnfilmmodell liefert ein Maß für die Schlupflänge. Des Weiteren wurde gezeigt, dass das späte Stadium der RPI auf einer hydrophoben Faser die Bildung von sich bewegenden Tropfen ermöglicht. Dies gestattet die quantitative Untersuchung des, durch Kapillarität getriebenen, Flüssigkeitstransports entlang einer Faser. Die Ergebnisse dieser Studie heben die Bedeutung der hydrodynamischen Randbedingung auf Fließprozesse auf kleinen Längenskalen hervor.