INVESTIGATION OF SURFACE TENSION CONVECTION FLOW OF SILICONE OIL AT DIFFERENT AMBIENT TEMPERATURES

Year 2023, , 755 - 767, 28.06.2023

Ela Katı Sunay , Ramazan Selver

https://doi.org/10.21923/jesd.1022597

Abstract

The main material of electronic products that we use in almost every area of our lives are products called semiconductors. Therefore, the production quality of semiconductors is important. The crystalline structure obtained by surface tension convection; It is the most perfect crystal structure for semiconductors. In our study; Surface tension convection motion was created in a rectangular container configuration by using a silicon fluid with a kinematic viscosity of 5 cSt. In order to examine the effects of natural convection caused by the gravity vector in this surface tension convection, 4 different numerical solutions were performed using 2 different ambient temperatures and two different gravity values (at 1g and microgravity values), and the streamlines formed in these solutions were examined and compared with each other. It has been shown that there are differences in the flow lines and isotherms of the fluids that make surface tension convection within the two-dimensional configurations realized for the combinations occurring under different ambient temperatures and different gravity vector conditions. It has been observed that as the ambient temperature rises, it tends to shift from unicellular vortex convection to bicellular vortex convection.

Keywords

Silicone Oil, Viscosity, Surface tension, Semiconductor, Gravity.

SİLİKON YAĞI AKIŞKANININ FARKLI ORTAM SICAKLIKLARINDA YÜZEY GERİLİMLİ KONVEKSİYON AKIŞ HAREKETLERİNİN İNCELENMESİ

Abstract

Hayatımızın hemen hemen her alanında kullandığımız elektronik ürünlerin ana maddesi, yarı iletken adı verilen malzemelerdir. Bu nedenle yarı-iletkenlerin üretim kalitesi önem arz etmektedir. Yüzey gerilimli konveksiyon ile elde edilen kristalin yapısı; yarı iletkenler için en mükemmel kristal yapıdır. Yapmış olduğumuz çalışmada; 5 cSt kinematik viskoziteye sahip silikon akışkanı kullanılarak, dikdörtgen kap konfigürasyonu içerisinde yüzey gerilimli konveksiyon hareketi oluşturulmuştur. Bu yüzey gerilimli konveksiyon hareketi içerisinde yerçekimi vektörü nedeniyle oluşan doğal konveksiyonun etkilerini incelemek amacıyla 2 farklı ortam sıcaklığı ve iki farklı yerçekimi değeri (1g ve mikro yerçekimi değerlerinde) kullanılarak 4 ayrı numerik çözüm gerçekleştirilmiş ve bu çözümler içerisinde oluşan akım çizgileri incelenerek bir birleriyle karşılaştırılmıştır. Farklı ortam sıcaklıkları ve farklı yerçekimi vektörü şartlarında meydana gelen kombinasyonlar için gerçekleşen iki boyutlu konfigürasyonlar içerisinde, yüzey gerilim konveksiyonu yapan akışkanların akım hatlarında ve eşsıcaklık eğrilerinde farklılıkların meydana geldiği görülmüştür. Ortam sıcaklığı yükseldikçe tek hücreli vortex konveksiyonundan çift hücreli vortex konveksiyonuna geçiş eğilimi olduğu görülmüştür.

Keywords

Silikon Akışkanı, Viskozite, Yüzey Gerilimi, Yarı-iletken, Yerçekimi.

References

• Çırak, Ç., 2009. Farklı ortam sıcaklıklarında ve farklı soğuk duvar sıcaklık etkileri altındaki sabit sıcaklık konfigürasyonunun, rejim halinden osilasyonlu marangoni konveksiyonuna geçiş üzerine deneyler. S.D.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 75, Isparta
• Hashim, I., Othman, H., Awang Kechil, S., 2009. Stabilization of thermocapillary instability in a fluid layer with internal heat source. International Communications in Heat and Mass Transfer, 36, 161-165.
• Karabıyık, E., 2015. Dikdörtgen kap içerisinde yüzey gerilim hareketi yapan farklı iki akışkan için boyutsal oran etkisinin incelenmesi. S.D.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 46, Isparta
• Katı, E., 2009. Yarı iletken malzemeler için termokapiler konveksiyon üzerine deneysel bir çalışma. S.D.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 60, Isparta
• Katı Sunay, E., 2013. Farklı parametreler altında kararlı ve osilasyonlu yüzey gerilim konveksiyon hareketlerinin incelenmesi. S.D.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 93, Isparta
• Lai, C.L., 2004. Multiple-scale analysis of oscillatory thermocapillary convection of high Prandtl number fluids in a rectangular cavity. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47, 1069-1078.
• Mendis, R. L. A., Sekimoto, A., Okano, Y., Minakuchi, H., and Dost, S., 2021. The relative contribution of solutal marangoni convection to thermal marangoni flow ınstabilities in a liquid bridge of smaller aspect ratios under zero gravity. Crystals , 11, 116-128.
• Mielniczuk, O., Millet, O., Gagneux, G., El Youssoufi, M. S., 2018. Characterisation of pendular capillary bridges derived from experimental data using inverse problem method. Granular Matter , 20, 14-23.
• Nguyen, H. N. G., Zhao, C., Millet, O., Gagneux, G., 2020. An original method for measuring liquid surface tension from capillary bridges between two equal-sized spherical particles. Powder Technology, Volume 363, Pages 349-359.
• Ostrach, S., 1977. Motion induced by capillarity. Physico-Chemical Hydrodynamics, 2, 571-589.
• Ostrach, S., 1979. Convection due to surface tension gradients. COSPAR Space Research, 19, 563-570.
• Ostrach, S., 1982. Low-gravity fluid flows. Annual Review of Fluid Mechanics, 14, 313-345.
• Selver, R., 2005. Experiments on the transition from the steady to the oscillatory Marangoni convection of a floating-zone under various cold wall temperatures and various ambient air temperature effects. Microgravity Science and Technology, 17, 4, 25-35.
• Selver, R., Katı, E., 2009. Dikdörtgenler prizması içerisinde yüzey gerilim konveksiyon hareketi yapan akışkanın hız vektörlerinin farklı yerçekim vektörleri altında incelenmesi. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 6, 3, 19-33.
• Selver, R., Katı, E., 2009. Dikdörtgenler prizması içerisinde yüzey gerilim konveksiyon hareketi yapan akışkanın serbest yüzeyindeki sıcaklık ve hız profillerinin farklı yerçekimi vektörleri altında incelenmesi. Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 21, 37-61.
• Selver, R., Katı, E., Karakuş, M.A., 2010. Akışkanın yüzey gerilim hareketlerinin dikdörtgenler prizması içersinde incelenmesi. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 7, 1, 83-96.
• Selver, R., Katı, E., 2011. Transition from the steady to the oscillatory thermocapillary convection in a rectangular container under various cold wall temperature effects. Microgravity Science and Technology, 23, 277-285.
• Wang, L., Kamoroni, Y., Yoda, S., 2008. Effect of heating orientation on oscillatory thermocapillary flow in liquid bridges. International Communications in Heat and Mass Transfer, 35, 1249-1252.
• Zeng, Z., Mizuseki, H., Higashino, K., Kawazoe, Y., 1999. Direct numerical simulation of oscillatory Marangoni convection in cylindrical liquid bridges. Journal of Crystal Growth, 204, 395-404.