30973

كنترل مكانيسم نفوذي به‌منظور بهبود عملكرد جداسازي ميكروكانال H شكل

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1401

1403/03/09

دكتر احمد رهبر كليشمي

ندارم.

مهندسي شيمي، نفت و گاز

نفوذ در سامانه‌هاي ميكروسيالشي به دليل داشتن جريان آرام و اندازه كوچك ذرات در مقياس ميكرو، مكانيسمي بسيار سودمند براي جداسازي است. لذا، هدف از اين پژوهش، شبيه‌سازي ميكروكانال H شكل با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي به‌منظور كنترل مكانيسم نفوذي با هدف افزايش عملكرد جداسازي است. ميكروكانال H شكل داراي دو ورودي و دو خروجي است كه بر اساس تفاوت در ضريب نفوذ مواد، جداسازي انجام مي‌گيرد. طراحي و تحليل ميكروكانال در محيط نرم‌افزار كامسول انجام شد. به‌منظور شبيه‌سازي از دو روش عدم وابستگي به ويسكوزيته (حالت ايده‌ال) و وابستگي به ويسكوزيته (حالت غيرايده‌ال) با ضرايب نفوذ m²/s 10-12 و 11-10 و 10-10 و 9-10 استفاده شد. سيال مورد‌استفاده آب است كه يك سيال نيوتني و تراكم ناپذير است. براي بررسي اين هندسه، از روش حل عددي (روش المان محدود) و حل هم‌زمان دو معادله انتقال جرم و ناوير-استوكس استفاده شد. در نهايت با مش‌بندي دلخواه، نرم‌افزار در حالت پايا قرار داده شد و توسط داده‌هاي به‌دست‌ آمده شبيه‌سازي موردنظر انجام شد. همچنين، به بررسي اثر متغيرهاي ضريب نفوذ، فشار اوليه، غلظت اوليه و ضريب اصلاح ويسكوزيته پرداخته شد و با تغيير متغيرهاي ذكر شده، ميزان اثرگذاري هر متغير در نفوذ و فرآيند جداسازي تعيين شد. نتايج نشان داد، در روش عدم وابستگي به ويسكوزيته، تغييرات غلظت تأثيري بر سرعت سيال نداشت و پروفيل سرعت متقارن شد و در روش وابستگي به ويسكوزيته معادله‌اي براي ويسكوزيته تعريف شد كه شاهد اثر تغييرات غلظت بر سرعت جريان است و پروفيل غلظت را نامتقارن نمود. همچنين، ضرايب نفوذ آب اندازه‌گيري شده با گراديان غلظت ذرات افزايش مي‌يابد كه نشان‌دهنده برهمكنش‌هاي بين‌مولكولي قوي‌تر است و در شيب غلظت قابل‌مقايسه، ضريب نفوذ آب اندازه‌گيري شده به دليل افزايش ويسكوزيته محيط به‌شدت كاهش يافت. نيز، مشخص شد كه انتقال ذرات بين دو كانال در فشار پايين و گراديان غلظت بالا سرعت بيشتري دارد. در حالت عدم وابستگي به ويسكوزيته زماني‌كه ضريب نفوذ نسبتاً زياد درنظرگرفته‌شد، ميزان جداسازي mol/m^3 0.5 بود اما در حالت وابستگي به ويسكوزيته ميزان جداسازي حدود mol/m^3 0.4 بود. در نتيجه، در حالت وابستگي به ويسكوزيته نسبت به حالت عدم وابستگي به ويسكوزيته ميزان جداسازي 20 درصد كاهش داشته است. اين نتايج، نفوذ ذرات اندازه‌گيري شده از طريق ميكروكانال H شكل را تأييد مي‌كند.

1403/04/03

Control of the Diffusion Mechanism to Improve the Separation Performance of the H-shaped Microchannel

5/29/2025 12:00:00 AM

Diffusion in microfluidic systems is a very useful mechanism for separation due to its smooth flow and small size of micro-scale particles. Therefore, the aim of this research is to simulate the H-shaped microchannel using computational fluid dynamics in order to control the diffusion mechanism with the aim of increasing the separation performance. The H-shaped microchannel has two entrances and two exits, which are separated based on the difference in the diffusion coefficient of the materials. The microchannel design and analysis was done in the Comsol software environment. In order to simulate, two methods of non-dependence on viscosity (ideal state) and dependence on viscosity (non-ideal state) were used with diffusion coefficients of 10-10, 10-11, 10-10 and 10-9 m²/s. The fluid used is water, which is a Newtonian and incompressible fluid. To investigate this geometry, the numerical solution method (finite element method) and the simultaneous solution of two equations of mass transfer and Navier-Stokes were used. Finally, with the desired meshing, the software was placed in stable mode and the desired simulation was performed by the obtained data. Also, the effects of the variables of diffusion coefficient, initial pressure, initial concentration and viscosity correction factor were investigated and by changing the mentioned variables, the effect of each variable on the diffusion and separation process was determined. The results showed that in the viscosity-independent method, concentration changes had no effect on the fluid velocity, and the velocity profile became symmetrical, and in the viscosity-dependent method, an equation was defined for viscosity, which shows the effect of concentration changes on the flow velocity, and made the concentration profile asymmetric. Also, the measured water permeability coefficients increase with the particle concentration gradient, which indicates stronger intermolecular interactions, and at a comparable concentration gradient, the measured water permeability coefficients decreased drastically due to the increase in the viscosity of the medium. Also, it was found that the transfer of particles between two channels is faster at low pressure and high concentration gradient. In the case of no dependence on viscosity, when the diffusion coefficient was considered relatively high, the separation rate was 0.5 mol/m3, but in the case of dependence on viscosity, the separation rate was about 0.4 mol/m3. As a result, in the state of dependence on viscosity compared to the state of non-dependence on viscosity, the amount of separation has decreased by 20%. These results confirm the measured particle diffusion through the H-shaped microchannel.

مكانيسم نفوذ , جداسازي , ميكروكانال , ميكروكانال H شكل , ضريب نفوذ , ويسكوزيته سيال

Diffusion mechanism , Sepration , Microchannel , H-shaped microchannel , Diffusion Coefficient , Fluid Viscosity

Reyhaneh Bagheri

Ahmad Rahbar Kelishami