30220

شبيه‌سازي CFDانتقال جرم دو فازي در يك نمونه ميلي كانال با تغيير در خواص سطحي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي-طراحي فرايند

1399

1402/06/29

دكتر سلمان موحدي راد - دكتر احمد رهبر كليشمي

دانشكده آموزش الكترونيك

سامانه هاي ريزسيالشي در بسياري از فرايند هاي كاربردي كه نياز به كنترل و بازدهي بالا دارند مورد استفاده و در برخي مواقع ضروري هستند. با اينكه درگذشته مطالعات تجربي مختلفي بر روي سيستم هاي تشكيل قطره رخ داده است توجه كافي به پديده هاي سطحي و اهميت آنها در اين سيستم ها نشده و در نتيجه در روابط بدون بعدي كه تاكنون توسعه يافته‌اند عمدتاً از تاثير اين پديده‌ها صرف نظر شده است، در اين تحقيق شبيه‌سازي هاي ديناميك سيالات محاسباتي مختلف در بازه تغييرات سرعت ورودي 0.012-0.422 متر بر ثانيه در فاز پيوسته ، 0.009-0.235 متر بر ثانيه در فاز پراكنده ، زواياي تماس دو فاز بين 125 تا 145 درجه و كشش بين سطحي 0.035 تا 0.055 نيوتون بر متر انجام شد تا تاثير اين پارامتر ها بر الگو هاي جريان مختلف، اندازه قطره و فاصله جدايش مشخص گردد و با استفاده از نتايج اين شبيه‌سازي ها در ابتدا نقشه الگوي جرياني براي پيشبيني الگو هاي مختلف درون سامانه هاي ريز سيالشي T شكل توسعه يافت و سپس با استفاده از 120 داده از شبيه‌سازي هاي انجام شده روابطي براي پيش‌بيني اندازه قطره و فاصله جدايش قطرات از ابتداي كانال توسعه يافتند كه براي عددكپيلاري كوچكتر از 0.009 در فاز پيوسته و عدد وبر كوچكتر از 0.8در فاز پراكنده قابل استفاده بودند. در ادامه مدلي جديد براي شبيه‌سازي انتقال جرم توسعه داده شد كه فصل مشترك را از مدل هيدروديناميكي دريافت و سپس انتقال جرم را در فاز پيوسته محاسبه مي‌كردمدل توسعه يافته جديد با توجه به امكان حل معادلات انتقال گونه تنها در يك فاز هزينه محاسباتي بسيار پايين تر نسبت به مدل هاي مرسوم داشته و امكان محاسب ميزان انتقال جرم در الگوهاي جريان پيچيده همچون قطره اي و لخته اي را فراهم مي‌كرد. در ادامه نتايج هر دو مدل هيدروديناميكي و انتقال جرم با نتايج مشاهدات تجربي كه از آزمايش هاي انجام شده در سامانه ريزسيالشي ساخته شده بدست آمده بودند مقايسه شده و مدل هاي توسعه يافته ارزيابي شدند. نتايج اين شبيه‌سازي ها بيانگر اين موضوع بودند كه پارامتر هايي همچون سرعت نسبي و زمان ماند تاثير بسزايي بر انتقال جرم داشتند و تاثير اين پارامتر ها بررسي گرديد ،همچنين در خصوص تاثير خواص بين سطحي مشاهده گرديد با افزايش كشش بين سطحي با توجه به تاثيرات اين خواص در الگو هاي جريان و اندازه قطرات سطح ويژه بين فازي به طور محسوسي تغيير كرده و در نتيجه افزايش اين پارامتر با تاثير بر سطح ويژه بين فازي باعث افزايش ميزان انتقال جرم مي‌شد .

1402/09/27

CFD simulation of two-phase mass transfer in a millichannel sample with changes in surface properties

9/19/2024 12:00:00 AM

Microfluidic devices are essential for various applications, requiring precise control and efficiency. The multiphase flow of immiscible fluids in microchannels leads to discrete droplet formation, affecting mass and energy transfer rates. Although droplet formation has been studied experimentally, little attention has been devoted to the wetting properties of microchannel walls and surface tension forces. Furthermore, existing dimensionless correlations often overlook contact angle and surface tension effects on droplet and detachment length. Therefore, a comprehensive Computational Fluid Dynamics (CFD) study employing the VOF multiphase model was presented to overcome these restrictions. The study aims to investigate flow patterns within a microfluidic device and analyze the impacts of contact angle, two-phase flow rate, and interfacial tension on slug and detachment lengths. Valuable insights into droplet behavior in microchannels were provided by developing a flow map and characterizing four distinct flow patterns (dripping, slug, jetting, and annular flow). Using CFD simulations, numerical correlations for slug and detachment lengths were proposed, accounting for various operating conditions, interfacial forces, and fluid properties.Furthermore a novel method for simulating the mass transfer proposed that imported the interface between phases from previous VOF simulations and solved mass transfer equation on the continuous phase enabeling concentration calculation on the both sides. The study's findings are experimentally validated, confirming the accuracy and reliability of the computational results. This research contributes to understanding droplet-based microfluidics and offers valuable guidelines for designing efficient microfluidic devices in numerous applications. The CFD-based approach presents an alternative to experimental limitations, opening avenues for further exploration and optimization of microfluidic systems.

ريز سيالش , انتقال جرم , ديناميك سيالات محاسباتي , خواص سطحي

Microfluidic Devices , Mass Transfer , T-Junction , Computional Fluid Dynamics

mehrdad mahmoudi

salman movahedirad - ahmad rahbar kelishami