بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اینکه میزان انتقال حرارت و جرم بین سیالات درون میکروکانالها، بستگی زیادي به رژیم جریان دارد، در این مطالعه با استفاده از شبیه سازي رایانه اي و مدل تجربی، رژیم جریان دوفازي مایع-مایع بدست آمده است و از آب و گازوئیل، با مدنظر قرار دادن کاربردهاي صنعتی؛ به ترتیب به عنوان سیالات آبی و آلی استفاده شد. براي بدست آوردن رژیم جریان دوفازي آب و گازوئیل درون راکتور میکروکانال، ابتدا از بسته هاي نرم افزاري سیالاتی استفاده شد و سپس براي مقایسه نتایج مدلسازي و آزمایشگاهی یک راکتور میکروکانال PMMA طراحی و ساخته شد.
دو سیال به وسیله پمپ سرنگی و تحت شرایط یکسان با مدل نرم افزاري به درون میکروکانال تزریق شده و رژیم جریان مشاهده شد. با توجه به اینکه شبیه سازي رایانه اي و مدل تجربی منجر به تشکیل یک رژیم واحد شدند، این نتیجه حاصل شد که مدل نرم افزاري در محدوده شرایط عملیاتی مورد آزمایش، نتایج قابل قبولی ارائه داده و قابلیت استفاده گسترده تري در این زمینه دارد. گرچه دو مدل داراي تفاوتی در شکل سطح مشترك بودند که به نظر می رسد ناشی از عدم توانایی کامل نرم افزار در شبیه سازي پدیده هاي سطحی می باشد.
مقدمه
میکروکانال ها ابزارهاي نسبتا" نوظهوري هستند که با توجه به خواص ویژه اي که دارند، در صنایع مختلف الکتریکی، مکانیکی، شیمیایی، زیست فناوري و... به کار می روند. از مزایاي این دستگاهها می توان به ارائه نسبت سطح به حجم بالا، قیمت ارزان، هزینه هاي عملیاتی کم، ایمنی بالا، مصرف کم مواد شیمیایی، کاهش مخاطرات زیست محیطی، امکان کنترل هر چه بهتر پارامترهاي فرایند، بازده و بهره وري بالاتر، امکان افزایش مقیاس با استفاده از افزایش تعداد واحدها - و نه افزایش حجم هر واحد - و... اشاره کرد که استفاده از آنها را براي محققین در زمینه هاي مختلف علوم تجربی جذاب کرده است
یکی از عرصه هایی که در آن میکروکانال ها می توانند نقش پررنگی ایفا کنند، سیستم هاي چند فازي می باشد. در این زمینه، تحقیقات گسترده اي روي پدیده هاي انتقال صورت گرفته بین دو فاز مایع و گاز در میکروکانال ها انجام گرفته است]٣.[ گرچه در سالیان اخیر روي سیستمهاي دوفازي مایع- مایع نیز مطالعاتی صورت گرفته است، ولی نتایج به دست آمده از این مطالعات، براي درك عمیق پدیده هاي مرتبط با این سیستمها کافی نمی باشد و در مقایسه با سیستمهاي دوفازي گاز -مایع جاي خالی زیادي براي تحقیق وجود دارد]۴.[ به همین دلیل تصمیم گرفتیم در این مطالعه به بررسی رژیم جریان دوفازي تشکیل شده هنگام حرکت همزمان دو سیال آبی و آلی در راکتور میکروکانال بپردازیم. دو سیال آب و گازوئیل به جهت کاربردهاي بسیاري که در فرایندهاي صنعتی دارند- از جمله در واحدهاي پالایشی فرآورده هاي نفتی- به عنوان سیالات کاري استفاده شدند.
با توجه به جدید بودن تحقیقات انجام گرفته در این زمینه، محققین مختلف دسته بندي هاي گوناگونی براي رژیم هاي جریان دوفازي مایع- مایع دارند]۶,۵,٣[، ولی در حالت کلی و با احتساب تمام رژیم هاي مختلف با تفاوتهاي جزئی؛ دو نوع پروفایل جریان در راکتورهاي میکروکانال وجود دارد]۴:[ حالت اول جریان موازي است که در این حالت، دو سیال از یک سمت وارد کانال شده و به طور موازي و روي هم طول کانال را طی می کنند. در این حالت جریان سیالات پیوسته بوده و سطح مشترك دو سیال می تواند به شکلهاي موازي، موجی شکل و یا دهلیزي باشد. حالت دوم جریان راه راه، لخته اي یا جرعه اي نامیده شده است که در این حالت، دو سیال با هم وارد کانال نمی شوند. بلکه ابتدا حجم کوچکی از یک سیال کل سطح مقطع کانال را پر کرده و عبور می کند و بلافاصله مقداري از سیال دیگر وارد کانال شده و بدین ترتیب جریان مسیر را طی می کند. اگر دبی ورودي دو سیال برابر باشد، طول راه راه ها برابر خواهد بود. نمونه تجربی از هر دو رژیم در شکل 1 قابل مشاهده می باشد
در مطالعات مختلف از میکروکانال هایی با سطح مقطعهاي متفاوتی استفاده شده است که از آن جمله می توان به سطوح مربعی، گرد، مثلثی و حتی ذوزنقه اي اشاره کرد]٧.[ ولی عمده تحقیقات با میکروکانال هاي مربعی انجام شده است، زیرا ساخت آنها آسانتر و کاربرد آنها بیشتر است. اگر سطح مقطع کانال میکروراکتور را مربعی به ضلع D در نظر بگیریم و طول هر کدام از قطعات سیال را در حالت جریان راه راه L فرض کنیم، با یک محاسبه ساده ریاضی به نتیجه می رسیم که نسبت سطح مشترك دو سیال در جریان موازي به سطح مشترك دو سیال در جریان راه راه برابر L/D می باشد. با توجه به اینکه L معمولا" بزرگتر از D می باشد]٨[، نتیجه می گیریم که سطح مشترك جریان موازي بیشتر از سطح مشترك جریان راه راه می باشد.
شکل :1 نمونه اي تجربی از رژیم جریان دوفازي؛ الف - جریان موازي، ب - جریان جرعه اي
علاوه بر سطح مشترك بین دو سیال، عامل دیگري نیز بر میزان انتقال حرارت و جرم موثر است و آن گردش داخلی سیالات درون هر جرعه می باشد]٩.[ این عامل در جریان موازي نقشی ندارد و صرفا" در جریان جرعه اي موثر می باشد، لذا فقط در صورتی مورد بررسی قرار می گیرد که رژیم جریان جرعه اي باشد.
با توجه به مطالب ذکر شده، در این تحقیق، ابتدا با استفاده از مدل چندفازي VOF و با اصلاح جزئی در معادلات نویر - استوکس مسئله را به صورت نرم افزاري شبیه سازي می کنیم. سپس براي کسب اطمینان از نتایج حاصله و نیز مقایسه مدل تجربی و مدل نرم افزاري، با استفاده از دستگاه کنترل عددي رایانهاي - CNC - میکروکانالی از جنس PMMA تهیه کرده و دو سیال را با استفاده از پمپ سرنگی به درون میکروکانال تزریق می کنیم. سپس رژیم تشکیل شده از حرکت جریان دوفازي را مشاهده کرده و با شبیه سازي شده مقایسه می کنیم.
مدلسازي نرم افزاري
رفتار سیالات در کانال هاي با قطر کمتر از یک میلیمتر، نسبت به قطرهاي معمولی متفاوت است. به این دلیل که در قطرهاي معمولی نیروهایی نظیر جاذبه و اینرسی نقش عمده اي دارند و نیروي کشش بین سطحی ناچیز می باشد. این درحالیست که در قطرهاي کمتر از میلیمتر، نیروهاي کشش سطحی و ویسکوز نقش عمده اي ایفا کرده و نیروي جاذبه ناچیز شمرده می شود]١٠.[ لذا براي مدلسازي و حل مسائل سیالاتی در ابعاد ریز، نیاز به انجام اصلاحاتی در معادلات مورد استفاده می باشد. اهمیت این مسئله با کاهش قطر میکروکانال بیشتر می شود، زیرا هر چه به سمت قطرهاي کمتر حرکت کنیم، میزان انحراف از قوانین رایج مکانیک سیالات بیشتر می شود.افزون بر این، با کاهش قطر میکروکانال، هزینه هاي ساخت آن نیز افزایش می یابد که این خود عاملی سوق دهنده به سوي استفاده از مدلسازي نرم افزاري به جاي انجام آزمایشهاي تجربی می باشد.
معادلات نویر استوکس بر راکتورهاي میکروکانال حاکم است، با این اصلاح که ترم گرانش از معادلات حذف شده و یک ترم کشش سطحی به معادلات افزوده می شود. معادلات کلی حاکم بر جریان عبارتند از :
معادلات 1 - تا - 3 به ترتیب معادله پیوستگی، معادله مومنتوم در جهت و معادله مومنتوم در جهت می باشد. و به ترتیب نیروي کشش سطحی بر واحد حجم در جهت و می باشند. مدل کردن نیروي کشش سطحی با روش 1 CSF توسط Brackbill و همکاران]١١[ انجام شده است.
معادلات براي میکروکانالی با سطح مقطع mm۵.٠×١ و سرعت ورودي m/s۵٠١.٠ براي هر دو جریان ورودي آب و گازوئیل حل شد. با توجه به موثر بودن کشش سطحی، براي حل مسئله مدل چند فازي 2 VOF را به کار گرفتیم و کشش سطحی را نیز به صورت تک هاي خطی3 مدل نمودیم.
نتایج مدلسازي نشان می دهد که آب و گازوئیل در شرایط عملیاتی مورد نظر، به صورت جریان موازي مسیر را طی می کنند. شکل 2 مدل شبیه سازي شده عبور این دو سیال به صورت موازي را نشان می دهد.
شکل: 2 عبور جریان دوفازي موازي آب و گازوئیل از میکروکانال؛ سرعت ورودي هر کدام از سیالات برابر m/s۵٠١.٠ و سطح مقطع mm۵.٠×١
مواد و روشها
با توجه به خصوصیات PMMA از جمله در دسترس بودن، ارزان بودن، شفافیت و قابلیت تراشکاري سطحی، از این ماده براي ساخت میکروکانال استفاده شد. کانال با استفاده از دستگاه کنترل عددي رایانه اي - CNC - روي قطعه اي از PMMA ایجاد شد و سپس قطعه دیگري از PMMA را روي کانال قرار داده و با استفاده از چسب اپوکسی چسبیده و آب بندي شد. براي تزریق سیال از پمپ سرنگی استفاده شد. گازوئیل مورد استفاده نیز از شرکت پالایش و پخش فرآورده هاي نفتی مشهد تهیه شد.
مدل تجربی
دو سیال، مطابق با شرایط عملیاتی در نظر گرفته شده در مدلسازي نرم افزاري، به درون دستگاه تزریق شده و به صورت موازي درون میکروکانال جریان یافتند. شکل 3 تصویر میکروسکوپی از حرکت همزمان آب و گازوئیل درون میکروکانال را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود، سطح مشترك دوفاز موجی شکل می باشد که به دلیل نوسانات بین نیروهاي کشش سطحی، ویسکوز و اینرسی می باشد. همچنین آزمایش عبور همزمان دو سیال در سرعتهاي بالاتر نیز تکرار شد که در همگی آنها، رژیم حاکم بر میکروکانال موازي بوده و شکل سطح مشترك نیز موجی شکل بود.
شکل:3 تصویر میکروسکوپی از تشکیل رژیم موازي جرین دوفازي آب و گازوئیل در میکروکانال مورد مطالعه
نتیجه گیري
در این مطالعه، جریان دوفازي آب و گازوئیل درون میکروکانالی با سطح مقطع 0.5 میلی متر مربع بررسی شد. ابتدا از شبیه سازي نرم افزاري براي مدل کردن رفتار سیالات استفاده شد و ملاحظه گردید که رژیم غالب جریان، رژیم موازي می باشد. سپس با استفاده از ماشین CNC میکروکانالی از جنس PMMA ساخته شده و با استفاده از پمپ سرنگی، دو سیال با دبی یکسان به درون میکروکانال تزریق شده و به صورت موازي مسیر کانال را طی کردند. با توجه به اینکه نتایج حاصله از شبیه سازي نرم افزاري و مدل تجربی رژیم یکسانی را به دست داده اند، می توان نتیجه گرفت که اصلاحات انجام گرفته روي معادلات نویر- استوکس مناسب و قابل قبول بوده و می توان با اطمینان از این مدل نرم افزاري براي شبیه سازي آزمایش هاي مشابه استفاده کرد. تنها اختلافی که بین مدل تجربی و مدل نرم افزاري مشاهده می شود، تفاوت شکلی سطح مشترك دو فاز می باشد.
دلیل این امر آن است که نرم افزار تمام سطح میکروکانال را یکسان فرض می کند، چنین فرضی فقط در حالت ماکرو و مقیاسهاي معمولی صحیح است و در مقیاسهاي ریز نمی توان از آن استفاده کرد. نوسانات شدت جریان دو سیال ورودي نیز می تواند عاملی براي ایجاد سطح مقطع موجی شکل باشد، ولی با توجه به اینکه شکل موج تشکیل شده در هر مقطع ثابت است، تاثیر این عامل رد می شود. چرا که در این صورت باید سطح مشترك موجی شکل به همراه حرکت سیال حرکت کند. ولی در عمل این پدیده مشاهده نمی شود. لذا تنها عامل ایجاد نوسانات موجی در سطح مشترك، ناصافی هاي سطح میکروکانال در مقیاس میکرون می باشد. در هر حال نوسانات ایجاد شده در سطح مشترك مفید بوده و با افزایش دادن سطح مشترك، میزان انتقال حرارت و جرم بیشتري را نسبت به سطح مشترك صاف از خود عبور می دهد.
