31438

شبيه‌سازي ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) و مطالعه تجربي توليد ميكروقطره هسته/پوسته در سامانه ريزسيالشي

دكتري تخصصي

مهندسي شيمي

1399

1403/06/25

سلمان موحدي‌راد

/

مهندسي شيمي، نفت و گاز

جريان‌هاي مايع/مايع/مايع در ميكروكانال‌ها كه شامل تعاملات سه فازي هستند، در كاربردهاي شيميايي مختلفي كه به واكنش‌هاي مايع/مايع/مايع وابسته‌اند، از اهميت بالايي برخوردارند. در بخش اول اين پژوهش، تشكيل ميكروقطرات هسته/پوسته با اندازه‌اي يكنواخت به‌صورت عددي در كانال‌هاي ميكروجريان بررسي شده است. فصل‌مشترك و كانتور كسر حجمي بين سه مايع غيرقابل‌امتزاج از طريق مدل ميدان فازي سه‌گانه (سه‌تايي) ثبت مي‌شوند. تحقيقات قبلي نشان داده است كه پارامترهاي موثر در اندازه ميكروقطرات، خواص فيزيكي و سرعت سه فاز هستند. با تنظيم اين متغيرها، پنج الگوي جريان اصلي در شبيه‌سازي‌هاي عددي مشاهده مي‌شود. براي تمايز بين الگوهاي جريان مذكور، از اعداد بي‌بعد وبر و مويئنگي استفاده شد و بر اين اساس نقشه الگوي جريان ارائه شده است. در نهايت، يك همبستگي براي ضخامت پوسته با استفاده از نسبت سرعت فاز پوسته به هسته و انجام 51 شبيه‌سازي ديناميك سيالات محاسباتي پيشنهاد شد. بخش دوم اين پژوهش به بررسي جامع تشكيل ميكروقطرات هسته (روغن سيليكوني)/پوسته (پلي‌كاپرولاكتون) با استفاده از فاز پيوسته سوم (آب تقطيرشده) در يك ميكروكانال دوگانه-T با قطر 600 ميكرومتر مي‌پردازد. اين بخش با رويكرد حجم سيال و مشاهدات آزمايشگاهي از طريق ميكروسكوپ ديجيتالي با سرعت بالا انجام شده است. به‌دليل تطابق قابل‌قبول بين روش‌هاي محاسباتي و آزمايشگاهي، الگوهاي جريان نظري شناسايي و در سه دسته متمايز (قطره‌اي/لخته‌اي هسته/پوسته و جت هسته/پوسته)، براساس سرعت‌هاي مختلف سه فاز طبقه‌بندي شدند. با استفاده از تئوري باكينگهام و پس از 200 شبيه‌سازي ديناميك سيالات محاسباتي، يك همبستگي بي‌بعد براي تخمين ضخامت پوسته با دقت 12 درصد با خواص فيزيكي فازهاي هسته/پوسته/پيوسته، كشش‌هاي سطحي و اندازه ميكروقطرات در محدوده اعداد وبر و موئينگي 4-10×82/9-5-10×24/9 و 1-10×30/2-7-10×57/2 پيشنهاد شد. در قسمت آخر اين پژوهش، دو مجموعه داده كه شامل 180 داده تجربي و شبيه‌سازي بودند، براي ايجاد مدل‌هاي شبكه عصبي مصنوعي بكار گرفته شد. هدف از اين مدل‌ها، محاسبه رابطه بين ضخامت پوسته و اندازه ميكروقطرات هسته/پوسته در ميكروكانال دوگانه-T بود. مدل‌ها با استفاده از دوازده الگوريتم آموزشي متفاوت، چهار تابع فعال‌سازي و سه لايه مخفي با تعداد نورون‌هاي مختلف ايجاد شدند. دقت پيش‌بيني مدل‌هاي شبكه عصبي مصنوعي به‌طور چشمگيري با استفاده از تركيب اعداد موئينگي و وبر افزايش يافت، درحالي‌كه مدل‌هايي كه فقط با استفاده از اعداد موئينگي، وبر و رينولدز آموزش داده شده‌ بودند، عملكرد ضعيف‌تري داشتند.

1403/08/08

Computational Fluid Dynamic (CFD) Simulation and Experimental Investigation of Core/Shell Microdroplet Production in Microfluidic System

9/15/2025 12:00:00 AM

Liquid-liquid-liquid (L/L/L) flows in microchannels involving three-phase interactions are important in various chemical applications that entail liquid-liquid-liquid reactions. In the first part of this thesis, core/shell microdroplets formation with uniform size is investigated numerically in the co-flow microchannel. The interface and volume fraction contour between three immiscible fluids are captured using a ternary phase-field model. Previous research has shown that the effective parameters of microdroplet size are the physical properties and velocity of the three phases. By adjusting these variables, five main flow patterns are observed in numerical simulations. In order to discriminate between the aforementioned flow patterns using Weber and Capillary numbers and establish regime transition criteria based on these two dimensionless variables, a flow regime map is provided. Finally, a correlation for shell thickness using shell-to-core phase velocity ratio and conducting 51 CFD simulations was proposed. The second part of the thesis comprehensively investigates core (silicone oil)/shell (Polycaprolactone) microdroplet formation using a continuous third phase (distilled water) in a double T-junction microchannel with a diameter of 600 µm, employing Volume-of-Fluid (VOF) simulations and high-speed imaging experimental observation. Due to the satisfactory agreement between computational and experimental techniques, the theoretical flow patterns were identified and categorized into three distinct categories at various flow rates of three phases: core/shell dripping, core/shell slug, and core/shell jetting. A dimensionless correlation for shell thickness estimation with a 12% tolerance was proposed with a core/shell/continuous phase's physical properties, surface tensions, and microdroplet size, using Buckingham's theory based on 200 CFD simulations in the range of Weber and Capillary numbers of 9.24×10-5-9.82×10-4 and 2.57×10-7-2.30×10-1. In the third and last part of the study, two datasets consisting of 180 experimental and CFD data points were utilized to create ANN models. The aim of these models was to calculate the relationship between the thickness of the shell and the size of the core/shell microdroplets in the double-T microchannel. The models were created utilizing twelve distinct training algorithms, incorporating four unique activation functions, and employing three hidden layers that varied in the number of neurons they contained. The predictive accuracy of ANN models was found to be significantly improved when trained using a combination of capillary and Weber numbers, as opposed to models trained only using capillary, Weber, and Reynolds numbers.

ميكروقطرات هسته/پوسته , جريان‌هاي مايع/مايع/مايع , الگوي جريان , ميكروكانال , ضخامت پوسته , ديناميك سيالات محاسباتي , شبكه عصبي مصنوعي

Core/shell microdroplet , Liquid/liquid/liquid flows , Flow Patterns , Microchannel , Shell thickness , Computational Fluid Dynamics (CFD) , Artificial Neural Network (ANN)

Saeed Ghasemzade Bariki

Dr. Salman Movahedirad