بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، جریان دو فازی مخلوط نشدنی در یک میکرو کانال دوبعدی هممرکز معمولی و اصلاح شده بصورت عددی مطالعه شده است. برای این منظور، از روش شبکه بولتزمن با مدل شبه-پتانسیل استفاده شده است. دقت مدل مورد نظر توسط آزمایش لاپلاس و تغییر شکل قطره تحت جریان برشی معمولی مورد امتحان قرار گرفته است. مقایسه بین نتایج مشخص میکند که نتایج حاضر توافق خوبی با نتایج عددی و آزمایشگاهی محققان پیشین دارد.
همچنین، نتایج نشان میدهد که با انجام اصلاحی ساده روی یک میکرو کانال هممرکز معمولی، تحت شرایط یکسان، میکرو کانال هممرکز اصلاح شده قطرات با اندازههای کوچکتر و با فاصله مابین قطرات کمتری را تولید میکند. از طرفی، این تحقیق مشخص میکند که جریان های چند فازی در تجهیزات میکرو کانال حتی به تغییرات کوچک در هندسه کانال به شدت حساس میباشند.
-1 مقدمه
جریانهای چند فازی از پرکاربردترین موضوعات مورد بررسی در پژوهشهای دانشگاهی و پروژههای صنعتی میباشند. یکی از چالشهای مهم در بررسی دینامیک سیالات در مقیاس میکرو، بررسی فرآیند تشکیل قطره در میکروکانالها میباشد. این ابزارها، کاربردهای فراوانی در صنایع پلیمر، علوم بیولوژی و بیوشیمی، لوازم آرایشی، تولید غذا و غیره دارند. در فرآیند تشکیل قطره، تشکیل مدام قطرههای کوچک و با فاصله یکسان نسبت به یکدیگر و سرعت حرکت قطرات تولید شده اهمیت زیادی دارند.
به این ترتیب، فرآیند تشکیل قطره و تحت کنترل در آوردن آن، و توجه به ویژگیهای قطره از جمله اندازه قطره و بررسی پارامترهای تاثیرگذار بر آنها را دو چندان میکند. از اینرو، خیلی مهم است که به طور کامل از فرآیند و نحوه تشکیل قطره آگاهی وجود داشته باشد. در تشکیل قطره در میکروکانال، خواص سیال، هندسه میکروکانال و دبی جریان ورودی دو سیال مخلوط نشدنی به عنوان عوامل تعیینکننده شناخته میشوند.
هندسههای مختلفی برای تشکیل قطره در میکروکانالها موجود است از جمله: تی-شکل1، هم-محور و متقاطع.2 یکی از نخستین مطالعات در زمینه میکروکانال تی-شکل بوسیله تورسن و همکاران [1] انجام شده است، که امولاسیون بین جریان روغن و آب را مطالعه نمودند. از سوی دیگر، لینک و همکاران [2]، دو روش انفعالی برای شکستن قطرات بزرگ به قطرات کوچک با اندازههای قابل کنترل تحت جریان متحرک-فشاری در پیکربندیهای مختلف را شرح دادند.
گویلت و کولین [3] بصورت آزمایشگاهی به بررسی تشکیل قطره در میکروکانال تی-شکل پرداختند. نتایج آزمایشگاهی آنها نشان داد که، متغیرهای فیزیکی از جمله دبی فازها یپیوسته و گسسته، ویسکوزیته سیال، هندسه، فعل و انفعال بین کشش سطحی و نیروی ویسکوز بر روی تشکیل قطره تاثیر میگذارد. ژو و همکاران [4]، تشکیل میکروحباب های هوا که بوسیله یک فاز آبی احاطه شده است، مورد بررسی قرار دادند.
آنها نشان دادند که با افزایش ویسکوزیته فاز پیوسته در یک دبی حجمی ثابت برای فازهای پیوسته و گسسته، منجر با تشکیل قطرات با حجمهای کمتر در اتصال تی-شکل میگردد. زو و همکاران [5] تشکیل قطره در میکروکانال تی-شکل را بررسی نمودند. آنها با توجه به مشاهدات خود، بر اساس عدد کاپیلاری فاز پیوسته الگوی جریان مختلف را طبقهبندی نمودند. اویشی و همکاران [6] مکانیزم تولید حباب را در اتصال تی-شکل با استفاده از دستگاه سرعت سنج تصویر ذرات میکرو بررسی کردهاند و دریافتند، نسبت سرعت تاثیر به سزایی روی تشکیل حباب دارد.
گو و همکاران [7] پیشرفتهای اخیر در زمینه جریان دو فازی در سیستمهای میکرو سیالی را راجع به دو فرآیند بنیادین در مورد قطرات شامل تشکیل و ادغام را مورد بازبینی قرار دادند. آنها به مطالعات کارهای انجام شده و پارامترهای تاثیرگذار در سیستمهای میکرو سیالی پرداختند. ژائو و همکاران [8] بصورت آزمایشگاهی اثرات فشار بر روی ویژگیهای هیدرودینامیکی فازهای مایع و گاز در میکروکانال تی-شکل را مورد بررسی قرار دادند. آنها نیتروژن و آب زدوده از یون را به عنوان سیال مورد تست گیری خود انتخاب نمودند.
آن ها هفت نوع الگوی جریان را برای اتصال تی-شکل مشاهده نمودند و بر روی ویژگیهای هر الگو و مکانیزم تشکیل قطرات به تفصیل بحث نمودند. یاماموتو و اوگاتا [9] بصورت آزمایشگاهی افت فشار جریان اسلاگ دو فازی آب و هوا در میکرو کانالهای دایروی تی-شکل و تاثیر تغییر اندازه ابعاد کانال بر روی افت فشار با جزئیات بحث و بررسی نمودند.
روش شبکه بولتزمن، یک روش شبه مولکولی بر اساس مدلهای معادلات جنبشی در سطح میکرو و مزو میباشد که تابع توزیع مجموعه مولکولها را ردیابی میکند .[10-11] در مجموع چهار روش عمده برای روش شبکه بولتزمن وجود دارد که میتواند جریان دو فازی را شبیهسازی نمایند. از جمله: مدل کرومودینامیک [12]، شبه پتانسیل - به این روش، شان-چن هم میگویند - [13]، مدلهای بر اساس نیروهای برهم کنش بین مولکولی [14] و مدل انرژی آزاد .[15] مدل شبه-پتانسیل به دلیل سادگی و قابلیت تطابق خوب، پرکاربردترین مدل چندفازی در روش شبکه بولتزمن میباشد.
وو و همکاران [16] با استفاده از روش شبکه بولتزمن به شبیه سازی جریان چندفازی مخلوط نشدنی در میکروکانالهای متقاطع پرداختند. آنها با مدل بی -جی-کا1 با معرفی نمودن نیروی کشش سطحی بر اساس روش نیروی سطحی پیوسته بهبود بخشیدند و نتایج حاصل از شبیه سازی خود را بر روی تشکیل قطره در میکروکانال های متقاطع با نتایج آزمایشگاهی مقایسه نمودندکه تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی نشان دادند. گوپتا و همکاران [17] با استفاده از روش شبکه بولتزمن تشکیل قطره در میکرو کانال تی-شکل در اعداد کاپیلاری پائین و دبی های حجمی متفاوت فاز پیوسته و گسسته شبیه سازی نمودند.
یانگیومین و همکاران [18] به شبیه سازی دو سیال مخلوط نشدنی در اتصال تی-شکل با استفاده از روش شبکه بولتزمن پرداختند و پنج الگوی جریان متفاوت را پیش بینی نمودند. فلاح و همکاران [19] با استفاده از روش شبکه بولتزمن مدل شبهپتانسیل تاثیر پارامترهای مختلف از جمله: نسبت دبی، عدد کاپیلاری، زاویه تماس و نسبت پهنا را بر روی اندازه قطره، فاصله مابین آن ها را شبیه سازی نمودند.
علیزاده و همکاران [20] با استفاده از روش شبکه بولتزمن مدل تابع مشخصه فرآیند تشکیل قطره در میکروکانال هم محور را شبیه سازی نمودند. آن ها سه نوع رژیم جریان: چکه کردن، جتی و حالت انتقال بین این دو رژیم را مشاهده نمودند. فلاح و طیبی [21] با استفاده از روش شبکه بولتزمن مدل شبهپتانسیل با انجام اصلاحی ساده بر روی میکروکانال تیشکل نشان دادند که میتوان قطرات با اندازه کوچکتر و با تعداد بیشتری تولید نمود.
تشکیل قطره در اندازههای کوچک و به تعداد زیاد، یکی از مهمترین پدیدههای دوفازی در میکروکانالها میباشد که بهطور گسترده کاربردهای فراوانی در صنعت داراست. تشکیل قطره در میکروکانالها یکی از بهترین و پربازدهترین روشهای دستیابی به قطرات منفرد میباشد. تولید میکروقطرهها در میکروکانالها و با اندازههای کوچک، ایدهآل میباشند اما قطرات کوچک کنترلشده و با اندازههای دلخواه از طریق تکنیکهای معمولی همیشه به آسانی قابل تولید نیستند.
بر همین اساس در این بخش برای نیل به این هدف، نشان میدهیم که با ایجاد موانع در میکروکانال با هندسه هممرکز، از اندازه قطرههای اولیه کاسته و قطرات کوچکتری را ایجاد مینمائیم. در این مقاله از روش شبکه بولتزمن مدل شبهپتانسیل برای شبیه سازی فرآیند تشکیل قطره در میکروکانال هممرکز معمولی و اصلاح شده در اثر بر همکنش دو سیال مخلوط نشدنی مورد استفاده قرار گرفته است.
دقت مدل مورد نظر توسط آزمایش لاپلاس، زاویه ی تماس و تشکیل قطره در میکروکانال هممرکز معمولی مورد امتحان قرار گرفته است. فرآیند تشکیل قطره در میکرو کانال هممرکز معمولی و اصلاح شده با جزئیات توضیح داده شده است. اثرات تغییر عدد کاپیلاری، نسبت دبی، نسبت پهنای دو فاز و زاویه ی تماس بین قطره با سطح جامد بر روی طول قطرات و فاصله مابین آن ها با جزئیات بررسی میشود.
-2روش عددی
در سالهای اخیر، روش شبکه بولتزمن به عنوان یک جایگزین مناسب برای روشهای دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیهسازی میدان جریان پدیدار شده است. در روش شبکه بولتزمن، حرکت سیال توسط مجموعهای از توابع توزیع شرح داده میشود.
