بخشی از مقاله
چکیده
محل برخورد دو جریان در میکروکانال بر روی کیفیت اختلاط مؤثر است.[1] برخورد دو جریان به خصوص در شدت جریانهای بالا باعث ایجاد اغتشاش شده و به اختلاط کمک میکنند. در این مقاله با استفاده از دینامیک سیال محاسباتی - CFD - به مطالعه اختلاط دو جریان مایع در چهار نسبت دبی مختلف در میکروکانال پرداخته شده است. نتایج نشان داد که محل نقطه برخورد دبیهای ورودی در نسبت دبیهای مختلف با هم تفاوت دارد و در نسبتهای بالاتر نقطه برخورد وارد کانال با دبی کمتر میشود. از سوی دیگر اختلاط درون میکروکانالها مورد مطالعه قرار گرفت و با استفاده از نتایج مدلسازی CFD مشاهده شد که با افزایش نسبت سرعت جریانهای متقابل کیفیت اختلاط بر حسب پارامتر تعریف شده شدت اختلاط افزایش یافته است.
-1 مقدمه
میکروکانالها به کانالهایی گفته میشود که قطر هیدرولیکی آن کوچکتر از 1 میلی متر باشد. امروزه کاربردهای وسیع میکروکانالها به دلیل خصوصیاتی از جمله نسبت سطح به حجم بالا، حجم واکنش دهندههای کمتر، نیاز به زمان آنالیز و حجم مواد کمتر و قابلیت حمل آسان مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. مخلوط شدن دو سیال با مقیاس کوچک فرآیندی، در بسیاری از زمینهها ضروری میباشد که از جمله میتوان به آنالیزهای زیستی و شیمیایی و پزشکی اشاره کرد. خالص سازی DNA، واکنشهای آنزیمی، بهم آمیختن پروتئینها، ارائه داروها، آزمایشگاه روی تراشه، میکروراکتورها، پیلهای سوختی و بیوتکنولوژی نمونههایی در این رابطه هستند. با توجه به اینکه جریان در میکروکانالهامعمولاً به صورت جریان آرام است، به سختی میتوان به شرایطی رسید که اختلاط یکنواختی وجود داشته باشد. اختلاط مناسب به پارامترهای بسیاری وابسته است که از میان آنها میتوان به خواص سیال، ویژگیهای فرآیند - مثل سرعت جریان - سینتیک و ترمودینامیک واکنش و شکل کانال اشاره کرد. با توجه به این خصوصیات نیز روشهای متعددی برای افزایش اختلاط در یک میکروکانال وجود دارد که در دو گروه دسته بندی میشوند. روشهای غیر فعال روشهایی هستند که در آن از هندسه کانال برای ایجاد اغتشاش در کانال استفاده شده است.[4-1] مثالی از این نوع کانالها، کانال T شکل است که به عنوان یک نوع مخلوط کننده ساده در بسیاری از مطالعات مورد استفاده قرار گرفته است. در مقابل روشهای فعال روشهایی هستند که از عوامل خارجی چون عوامل مغناطیسی، الکتریکی و اولتراسونیک برای ایجاد اختلاط بهتر در میکروکانال بهره میبرند.[8-5] روشهای مختلفی برای بررسی اختلاط در میکروکانالها وجود دارد. دسته اول، روشهایی هستند که با استفاده از واکنش در میکروکانال به بررسی اختلاط درون میپردازند از جمله روشهای بررسی واکنش اسید-بازی و واکنشهای رقابتی نظیر Villermaux/Dushman .[14-9] دسته دوم روشهایی هستند که با استفاده از مواد رنگی و یا تولید رنگ به مطالعه اختلاط درون میکروکانالها میپردازند 4-2]و .[21-15 مطالعات CFD بسیاری نیز برای مطالعه جریان در میکروکانالها صورت گرفته است. Naher و همکارانش [22] در سال 2010 جریان سیال را با استفاده از CFD در سه کانال مورد بررسی قرار دادند. همچنین جزء جرمی ردیاب درون میکروکانال بدست آمد و با استفاده از آن بازده اختلاط محاسبه گردید. نتایج نشان داد که شکل کانال به شدت بر روی حرکت سیال در میکروکانال و همچنین اختلاط در آن مؤثر است. AitMouheb و همکارانش [18] در سال 2011 اختلاط را در کانال T شکل و کانال + شکل مقایسه کردند. پروفیل غلظت بر اساس رینولدز خروجی بررسی و شکل تجربی و مدلسازی آن با هم مقایسه شد. بر اساس نتایج حاصله، مشخص شد که میکروکانال + برای شدت جریانهای کم، اختلاط را افزایش میدهد. Engler و همکارانش [16] در سال 2004 رفتار اختلاط را در یک میکروکانال T شکل مورد بررسی قرار دادند. نتایج تجربی و تئوری نشان دادند که جریانهای چرخشی در میکروکانالها موجب افزایش اختلاط در میکروکانال میگردند که چنین پدیدهای حتی در میکروکانالهای با سرعت پایین نیز ایجاد میشوند. در این مطالعه، به بررسی اثر نسبت دبیهای ورودی بر اختلاط و محل برخورد دو جریان مورد مطالعه قرار گرفته است. از CFD برای شبیه سازی جریانها و همچنین و مطالعه الگوی آنها در یک کانال T شکل استفاده شده و پس از بررسی الگوی جریان مقدار اختلاط در نسبت دبیهای مختلف مقایسه شده است.
-2 مدل آزمایش
میکروکانال بر روی صفحهای از جنس فولاد ضد زنگ تراش داده شده و روی آن به وسیله پلکسی گلس1 پوشانده شده است. شکل 1 این کانال را نشان میدهد.
شکل :1 میکروکانال استفاده شده
مقادیر فشار بر حسب دبی در این کانال بررسی شده است. پمپ سرنگی برای وارد کردن جریان به میکروکانال بکار برده شد. دبی جریان روی پمپ سرنگی تنظیم شده و جریان پیش از آن که وارد کانال گردد، ابتدا به مبدل فشار برخورد میکند. در این مطالعه از چهار نسبت دبی مختلف استفاده شده تا محل تلاقی دو جریان را نشان دهد. در جدول 1 این نسبت دبیها نشان داده شده است.
جدول 1: نسبت دبیهای بررسی شده در آزمایش دوم
