بخشی از مقاله
چکیده
امولسیون در اثر ترکیب دو سیال مخلوط نشدنی یک روشنو برای تولید قطرههای منفرد جداشونده میباشد.در این مقاله جریان دوفازی مخلوط نشدنی در یک میکروکانال تیBشکل و میکروکانال کو-فلوئینگ به صورت عددی بررسی شدهاست. برای شبیه سازی جریان دوفازی از نرم افزار کامسول استفاده شدهاست. این شبیه سازی به منظور بررسی مکانیزم تولید قطره تحت رژیمهای جریان چکه کردن، جتی و حالت انتقال بین این دو رژیم صورت گرفته است.
مقایسه ی نتایج مشخص میکند که نتایج حاضر توافق خوبی با نتایج عددی و آزمایشگاهی محققان پیشین دارد. در این تحقیق اثر تغییرات پارامترهای بیبعد از جمله عدد مویینگی و نسبت دبی دو فاز روی پهنای قطره برای میکروکانال تی شکل و میکروکانال کو-فلئوینگ بررسی شده است. همچنین نتایج نشان می دهد که با انجام تغییرات روی پارامترهای بی بعد میکروکانال تی شکل و کو-فلوئینگ ، تحت شرایط یکسان، میکروکانال، قطرات با اندازه های کوچکتری را نسبت به قبل تولید میکند..
.1 مقدمه
جریان های چند فازی از پرکاربردترین موضوعات مورد بررسی در پژوهشهای دانشگاهی و پروژههای صنعتی می باشند. یکی از چالشهای مهم در بررسی دینامیک سیالات در مقیاس میکرو، بررسی فرایند تشکیل قطره در میکروکانالها1 در راستای فرایند امولسیون1 به منظور کنترل اندازه و حرکت قطرههای تولیدی است.
امولسیون پدیدهای است که از اندرکنش دو سیال مخلوطنشدنی در میکروکانالها به وجود میآید و در نهایت قطرات فاز جداشونده به صورت معلق در فاز پیوسته تشکیل میشوند؛ امولسیون سازی بااستفاده از میکروکانالها یک تکنیک نو برای تولید قطرههای منفرد میباشد و به طور گسترده کاربردهای فراوانی در صنایع پلیمر، علوم بیولوژی و بیوشیمی، لوازم آرایشی، تولید غذا، جداسازی سلولها، آنالیزهای دی-ان-ای2 و غیره دارد
در فرایند تشکیل قطره، تشکیل مدام قطره های کوچک و با فاصله ی یکسان نسبت به یکدیگر و سرعت حرکت قطرات تولید شده اهمیت زیادی دارند. به این ترتیب، فرایند تشکیل قطره و تحت کنترل در آوردن آن، توجه به ویژگی های قطره از جمله اندازه قطره و بررسی پارامترهای تاثیرگذار بر آنها را دوچندان میکند. از این رو، خیلی مهم است که به طور کامل از فرایند و نحوهی تشکیل قطره آگاهی وجود داشته باشد.
از دیگر کاربردهای فرایند امولسیون در ساختار راکتورهای شیمیایی است، زیرا تشکیل مداوم قطرههای کوچک که با فاصله یکسان نسبت به یکدیگر در انتهای کانال در حرکت هستند در ساختار راکتورها ضروری است. درسیستم های تولید دارو نیز تولید قطره های منفرد جداشونده با فواصل یکنواخت نسبت به یکدیگر بسیار مهم می باشد.
در گذشته امولسیونغالباً شامل اختلاط دو مایع در یک محفظه و تحت رژیمهای توربولانسی به منظور افزایش و بالا بردن جدایش قطرهها بوده است امولسیون از این طریق پیچیده بوده و به همین دلیل امروزه استفاده از آن منسوخ شده است.
اخیرا تکنیکهای امولسیون با استفاده از دستگاههای میکروسیالی به طور گستردهای در زمینههای مختلف مورد توجه قرار گرفته و بستر رو به رشدی را برای تولید قطره های انبوه وکنترل شده فراهم کرده اند. از مزایای امولسیون درمیکروکانالها، تولید قطرههای یکنواخت، کنترل دقیق اندازه و شکل قطرهها و نمایش میکروسکوپی آنها می باشند که این اجازه را میدهند که با تغییرات کوچک در پارامترهای فرایند تشکیل، تغییرات دلخواه مشاهده شوند. اضافه بر آن، تولید قطره ها با اندازه و فرکانس تشکیل یکنواخت از الزامات تولید میکروذره های جدا شونده میباشند .
برای کنترل دقیق اندازه و شکل قطرهها از طریق دستگاههای میکروسیالی، خیلی مهم است که به طور کامل از فرایند و نحوه تشکیل قطره آگاهی وجود داشته باشد . درتشکیل قطرهدر میکروکانال، خواص سیال، هندسه میکروکانال و دبی جریان ورودی دوسیال مخلوط نشدنی به عنوان عوامل تعیین کننده شناخته می شوند. در امولسیون با تعیین ابعاد کانال و دبی دو جریان سیال، فرکانس تشکیل و قطر قطره بدست می آیند به طوریکه اگر آهنگ سرعت دو سیال مخلوط نشدنی و ابعاد هندسه میکروکانال ثابت بمانند، اندازه قطره و فرکانس تشکیل آن نیز ثابت باقی خواهند ماند.
هندسه های مختلفی برای تشکیل قطره در میکروکانال ها موجود است. دو هندسه متداول عبارت اند از: جریان داخل دو کانال هممحور - میکروکانال کو-فلوئینگ - 3 و جریان عرضی دوفازی در میکروکانالهای تیشکل4 ، که بهترتیب در شکلهای 1 و 2 نشان داده شده اند. در این گونه هندسه ها فرایند تشکیل قطره توسط پارامترهای فیزیکی مانند آهنگ سرعت هر دو سیال، ویسکوزیته آنها، کشش سطحی و هندسه میکروکانالها به طور آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته اند
شکل -1نمایی از میکروکانال دوبعدی کو-فلوئینگ شامل دو کانال هم محور
شکل -2 نمایی از میکروکانال تیشکل شامل دو کانال عمودبرهم
در هر دو هندسه ی میکروکانال، فاز گسسته5 به درون میکروکانال هدایت می شود، تا جایی که با فاز پیوسته6 و غیر قابل امتزاج، که به صورت مستقل به درون میکروکانال وارد می شود، برخورد کند. میکروکانال تی شکل از دو کانال عمود بر هم و متقاطع تشکیل شده است که فاز گسسته در محل تقاطع دوکانال با فاز پیوسته برخورد کرده و قطره تشکیل می شود. میکرو کانال کو - فلئوینگ از لوله ی مدور باریک ساخته شده است، که درون یک کانال با سطح مقطع مربع یا مستطیل محصور می شود. این دو کانال هم محور بوده و فاز گسسته درون لوله ی باریک و فاز پیوسته درون کانال بیرونی جریان مییابد؛ ودر نهایت دو سیال در محل انقطاع دو کانال با یکدیگر برخورد کرده و به موازات هم حرکت می کنند.
محل اتصال دو سیال به یکدیگر، در جهت بهینه سازی قابلیت تولید مکرر قطره ها طراحی میشود. در واقع، هندسه محل اتصال، همراه با نرخ جریان و خواص فیزیکی دو فاز - کشش سطحی، لزجت - ، عوامل مهم تعیین کنندهی نوع رژیم جریان هستند، که باعث تغییر خط اتصال بین دو فاز و در نهایت تشکیل قطره میشود. در این میان کاربرد میکروکانال های تی شکل و کو-فلئوینگ به دلیل سادگی ساخت آن و ارزانتر بودن بوفور دیده می شود.
