بخشی از مقاله
چکیده
میکرومیکسرها به عنوان تجهیزات مناسب برای بهبود اختلاط جریان در میکروکانالهای با عدد رینولدز پایین محسوب میشوند. از این رو، بهینهیابی اختلاط با طراحی میکرومیکسرهای مختلف امری ضروری است. پژوهش حاضر با هدف شبیهسازی اختلاط و بررسی افت فشار در طراحی میکرومیکسر غیرفعال کارآ با موانع W در طول مسیر به کمک دینامیک سیالات محاسباتی طراحی و اجرا شد. معادلات حاکم به صورت عددی با استفاده از نرم افزار حجم محدود انسیس فلوئنت 17.2 حل شدند.
الگوریتم .V.O.F برای کوپل فشار و سرعت به کار رفت. شبکه محاسباتی مورد استفاده از نوع بدون ساختار بود. بهینهیابی میزان افت فشار بر حسب عدد رینولدز با استفاده از نرم افزار مینی تب با روش تاگوچی - محاسبه نسبت سیگنال به نویز - انجام شد. نتایج نشان داد که عملکرد اختلاط در T میکرومیکسر با موانع W شکل بهتر از عملکرد اختلاط در T میکرومیکسر با موانع اشکی شکل میباشد و اختلاط خوبی در کانال جریان با اعداد رینولدز پایین در مقایسه با مطالعه مرجع دارد.
-1 مقدمه
امروزه، وسعت کاربرد اختلاط در ابعاد میکرو و نانو در صنایع[1]، مستلزم ساخت و بکارگیری تجهیزاتی در این ابعاد میباشد .[2] این تجهیزات که وظیفه اختلاط سیالات را عهدهدار هستند، میکرومیکسر نام دارند [3] که به دو دسته اصلی فعال و غیرفعال تقسیم میشوند، که در میکرومیکسرهای غیرفعال، اختلاط از تعامل جریان اصلی با هندسه کانال به طور خاص طراحی شده است - مانند کانالهای متقاطع، زیگزاگی، مانعدار - و بدون هیچگونه انرژی خاص صورت میگیرد
علاوه بر اینکه عملکرد میکرومیکسرها به روشهای تجربی مختلفی نظیر طیفسنجی رامان1 و تصویر سرعت میکروذرات بررسی میشود [6]، دینامیک سیالات محاسباتی2 نیز این امر را از طریق شبیهسازی نتایج و محاسبه اطلاعات دقیق انجام میدهد
باهری اسلامی و احمدی [7] به این نتیجه رسیدند که اختلاط در میکرومیکسرهایی که جریان در کانال اختلاط را به چند لایه تقسیم میکنند مانند میکرومیکسرهای لوزی، بالا است. نیمافر و همکاران [10]به این نتیجه رسیدند که میکرومیکسرهای جدید غیرفعال بر مبنای جدایش و به هم پیوستن سیال از راندمان بهتری نسبت به میکرومیکسرهای با ساختار ساده T و O برخوردارند. زیرا با کاهش فاصله انتشار دو میکروسیال موجب بهینه شدن فرآیند انتشار میشوند.
باگات3 و همکاران [11] با بررسی میکرومیکسر غیرفعال با موانع الماس شکل در طول کانال به این نتیجه رسیدند که عملکرد اختلاط بسیار عالی است. این عملکرد با افت فشار بسیار کمی اتفاق افتاد که نشان از راندمان قابل قبول بود. ربانی و طالبی [12] در بررسی اثر لایه سازی در ورودی های یک میکرو T میکسر با ورودی های ناهمراستا به این نتیجه رسیدند که از این طریق میتوان اختلاط دو سیال را افزایش داد.
با توجه به مطالعات انجام شده در راستای بهینه سازی اختلاط در میکرومیکسرها، پژوهشی که در آن به طراحی میکرو T میکسر با ورودیهای همراستا و موانع W شکل با آرایش پلهای در طول کانال اقدام شده باشد، یافت نشد. بدین جهت، مطالعه حاضر با این هدف طراحی و اجرا شد.
-2 هندسه مسأله
هندسه میکرومیکسر در شکل 1 نشان داده شده است. یک T میکرومیکسر با ورودیهای همراستا که موانع W شکل در طول آن بکار رفتهاند. طول کانال برابر 20000 و طول قسمت T شکل 3400 می-باشد. سطح مقطع ورودیها و کانال 400*400 میباشد. طول و عرض جانمایی هر مانع 400 و 347و ضخامت آن 80 میباشد. فاصلهی طولی میان موانع در طول کانال برابر 655 و فاصلهی عمودی آنها از یکدیگر برابر 80 میباشد. تفاوت مطالعه حاضر با پژوهشی که کوک4 و همکاران [13] انجام دادند در شکل و نحوه چیدمان موانعی است که بکار رفتهاند. زیرا در پژوهش آنها موانع اشکی شکل با آرایش پلهای افقی بکار رفتهاند اما در پژوهش حاضر، این موانع به شکل W بوده و آرایش پلهای عمودی دارند.
شکل -1 نمایی از هندسه میکرومیکسر و موانع بکار رفته در آن
-3 معادلات حاکم و روش حل عددی
معادلات حاکم بر جریان تراکم ناپذیر و ناپایای سیال نیوتنی، معادلات بقای مومنتم و جرم که به صورت زیر نوشته میشوند:
که در آن ⃗ بردار سرعت، فشار، چگالی و لزجت سینماتیکی میباشد. برای محاسبه کسر جرمی جزء iام
در مخلوط، Yi، از معادله زیر استفاده میشود:
که در آن شار و ضریب پخش جرمی جزء iام است. درجه اختلاط در هر مقطعی از کانال اختلاط میتواند
با رابطه - 5 - محاسبه شود
که کسر جرمی در سلول ، سرعت مماسی در سلول وکسر جرمی در خروجی میکرومیکسر ایده-آل - که برابر 0/5 است - و n تعداد سلولها در مقطع مورد نظر است. معادلات حاکم به صورت عددی با نرم افزار حجم محدود انسیس فلوئنت 17.2حل شدند. الگوریتم V.O.F. 1 برای کوپل فشار و سرعت استفاده شد. شبکه محاسباتی از نوع بدون ساختار بود. بهینهیابی میزان افت فشار با نرم افزار مینیتب - تاگوچی - انجام شد.
