20900

۲۰۹۰۰

بررسي تجربي ميكرواختلاط در يك نمونه ميكروكانال

كارشناسي ارشد

طراحي فرآيند

۱۳۹۸/۲/۳۱

دكتر سلمان موحدي راد

مهندسي شيمي

اساس بررسي طرح هاي مختلف ميكروكانال ها در اين مطالعه، شبيه سازي عددي مي باشد. به طوريكه ابتدا با شبيه سازي هاي صورت گرفته (نرم افزار فلوئنت نسخه 19.1) طرح هاي مختلفي از ميكروكانال ها با هندسه هاي مختلف ارزيابي شد و بهترين هندسه ها براي انجام كار تجربي مورد آزمايش قرار گرفت. چهار طرح مطالعاتي موردي با شكل موانع مختلف براي بررسي شكل موانع و نحوه حركت سيال بر اساس حالات همگرايي- واگرايي جريان سيال، پيچش جريان، مقايسه هندسه دوبعدي و سه‌بعدي و اثر تقارن بر اختلاط در نظر گرفته شد. در طرح همگرا-واگرا ابتدا پارامترهاي هندسه با كمك روش سطح پاسخ بهينه شد. در اين طرح، حضور گردابه ها به دليل نحوه قرارگيري موانع و همچنين نحوه حركت سيال (كشيدگي محلول رنگي به سمت آب) از دلايل كيفيت اختلاط مطلوب مي‌باشند. رينولدزهاي بين 0.05 تا 93 براي اين مطالعه در نظر گرفته شد. در رينولدزهاي كمتر از 2 انتقال جرم بيشتر از طريق نفوذ مولكولي صورت مي‌گيرد. درحالي‌كه در رينولدزهاي بيشتر از2، اثر نفوذ مولكولي بر انتقال جرم بسيار كم شده و انتقال جرم بيشتر از طريق مكانيسم جابجايي صورت مي‌گيرد. رابطه بين پيچش جريان با عدد پكلت عرضي و كيفيت اختلاط در مطالعه موردي دوم موردبررسي قرار گرفت. موانع درون ميكرو كانال به‌صورت باله‌هايي تحت زواياي مختلفي (بين 22.5 تا 90 درجه نسبت به افق) قرار گرفتند. با استناد به نتايج به‌دست‌آمده، هرچه زاويه باله‌ها نسبت به جهت جريان كمتر شود، پيچش جريان نيز بيشتر مي‌شود. همچنين عدد پكلت عرضي نيز با كاهش زاويه موانع بيشتر مي‌شد كه اين امر سرعت عرضي درون ميكرو كانال را افزايش مي‌دهد. لذا با افزايش پيچش جريان، كيفيت اختلاط نهايي نيز بيشتر شد كه نشان از رابطه مستقيم پيچش جريان و كيفيت اختلاط دارد. هندسه دوبعدي و سه‌بعدي (با ارتفاع‌هاي مختلفي از موانع) در طرح موردي سوم بررسي شد. طبق نتايج به‌دست‌آمده در بيشترين و كمترين نسبت انسداد (ارتفاع مانع به ارتفاع كانال) كيفيت اختلاط به حالت دوبعدي نزديك مي‌شد. در ديگر موارد به دليل نقش مهم عمق ميكرو كانال (براي ايجاد جريان چرخشي) عملاً استفاده از طرح‌هاي دوبعدي امكان‌پذير نبود و بهترين ارتفاع مانع براي بيشتر شدن كيفيت اختلاط h=0.75H است. اثر تقارن جفت موانع استوانه اي نيز در مطالعه آخر موردبررسي قرار گرفت. هرچه موانع نامتقارن‌تر باشند درهم‌رفتگي دو سيال در يكديگر بيشتر بوده و كيفيت اختلاط بيشتر است. چهار طرح مطالعاتي ازنظر بازده اختلاط با يكديگر مقايسه شدند. ميكرو كانال‌هايي ايده آل هستند كه علاوه بر كيفيت اختلاط بالا بتوانند افت فشار پايين‌تري ايجاد كنند. بر اساس نتايج حاصله طرح موردي سوم نسبت به ديگر طرح‌ها از بازدهي بالاتري در تمام رينولدزهاي در نظر گرفته‌شده برخوردار بود.

1398/05/19

Experimental study on micro-mixing in a microchannel

5/21/2019 12:00:00 AM

The numerical investigation is the main motivation of the present study. It means that different microchannel geometry is examined by numerical simulation (with Ansys fluent version 19.1) and the optimize geometry is used for experimental study. Four study cases with different barrier structures have been investigated to examine the effect of the Split and incorporate of fluid streams, fluid tortuosity, 2D vs 3D geometry and the symmetry of obstacle on fluid movement. The geometrical parameters in the convergent-divergent microchannel are optimized by response surface method. Due to the obstacle place in the main channel and fluid movement (stretching of rhodamine-B solution to another side that occupied with pure water) the mixing quality can be improved. Besides, tracking the streamlines show that the vortices act as imaginary barriers which their asymmetric trends lead to enhanced mixing. The Reynolds number was considered between 0.05 - 93. At low Reynolds number (Re<2) the mass diffusion rate is greater than the mass advection rate. While at Re>2 mass advection rate is greater. The approximate mixing quality at Re=93 by numerical simulation and experimental procedure are 73 and 60, respectively. By increasing the Re number, the pressure drop increases in the main channel. The relation between the fluid tortuosity with lateral peclet number and MI is investigated in the second study cases. The results show that, by decreasing the winglet angle, the fluid tortuosity increases as well as lateral peclet number. Decreasing in winglet angle can increase the lateral velocity that is proper for homogenous mixing. Thus, the MI and fluid tortuosity have direct relation. The aim of the third case study was the comparison between 2D vs 3D numerical simulations. When the blockage ratio (hbarrier/Hchannel) of the barriers against the flow direction is close to 1 or zero, the results of a 2D simulation approach to the simulation results of the 3D case. In another case due to the depth of channel that has an important role for twisting the fluids, the 2D geometry cannot be used and the best geometry with the barrier height h=0.75H that was obtained. In the last cases, the effect of symmetry cylinder obstacle pairs is investigated. The geometry with asymmetric obstacles leads the fluid flows to more chaotic movement and increases the fluids merging. The mixing efficiency is used for comparison of four study cases. The ideal microchannels have more MI and low-pressure drop. The third case has more mixing efficiency than the other ones.