بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش اختلاط میکروسیالی دو سیال، نرمالبوتانول و آب مورد مطالعه قرار گرفت. یک میکرومیکسر با هندسه جدید موسوم به هندسه سیکلونی معرفی گردید. اثر تغییرات دبی ورودی بر روی الگوی جریان با استفاده از تکنیکهای دینامیکسیالاتمحاسباتی - CFD - بررسی شد. نتایج بدستآمده از نرمافزار با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شدند که دقت بالای شبیهسازی را نشان میداد. با توجه به نتایج میتوان بیان کرد که در اعداد رینولدز پایین - دبی ورودی کم - جریان لختهای تشکیل میشود که با حرکت دوفاز به شکل قطرات متناوب قابل تشخیص است. با افزایش دبی ورودی فازها به ترتیب رژیم جریان موازی و سپس چرخشی سیکلونی حاصل میشود. همچنین میتوان در دبیهای بالا هر سه رژیم جریان چرخشی، موازی خطی و لختهای را به ترتیب مشاهده نمود.
نکات برجسته پژوهش
· میکرومیکسر جدیدی تحت عنوان سیکلونی معرفی شد که شکل جدید از اختلاط میکروسیالی را فراهم میآورد.
· شبیهسازی دوفازی حرکت دوسیال غیرقابلامتزاج در میکرومیکسر صورت گرفته است.
· اعتبارسنجی شبیهسازی با دقت بالا از نظر کمی و کیفی صورت گرفت.
-1مقدمه
در سالهای اخیر توسعه دستگاههای میکروسیالی بصورت گستره صورت گرفته است.[1] تلاش برای استفاده از این تجهیزات بواسطه ویژگیهایی مانند مسیرهای انتقال کوتاهتر، نسبت سطح به حجم بالا، امکان انجام واکنشهای شامل مواد خطرناک و سمی و هندسه ساده 4]؛3؛[2 صورت میگیرد. نسبت سطح به حجم بالا، نرخ بالایی از انتقال انرژی و انتقال جرم را فراهم میکند [5] و کاربردهای گوناگونی مانند ماژولهای تبادل حرارت برای تجهیزات الکترونیکی با قدرت بالا، دارد.[6]
هدف از بررسی تکنولوژیهای میکرومقیاس در عملیات انتقالجرم رسیدن به کیفیت بالای اختلاط واکنشدهندهها در کمترین فضا، زمان و انرژی است. کیفیت اختلاط معمولا به تولید آشفتگی وابسته است که این تولید آشفتگی در سیستمهای اختلاط به دو صورت فعال و یا منفعل صورت میگیرد. تکنیک اختلاط فعال با استفاده از یک نیروی خارجی مانند همزنمکانیکی، نیروی مغناطیسی و... صورت میگیرد اما در تکنیک منفعل از هیچ نیروی خارجی استفاده نمیگردد. استاتیک میکسرها نمونههایی از اختلاط با تکنیک منفعل هستند .[7]
در دهه گذشته، دستاوردهای قابل توجهی در هر دو جنبه تئوری و آزمایشگاهی برای توسعه تکنولوژی میکرومیکسرها وجود داشته است. از آنجا که مشاهده رژیم جریان در تشخیص کارایی اختلاط اهمیت بالایی دارد، در بسیاری از مطالعات آزمایشگاهی برای مشاهده اختلاط در میکروکانالها، از میکروسکوپ دیجیتالی استفاده میشود که نتایج آن بصورت گرافیکی قابل بررسی میباشند. از طرفی شبیهسازی CFD میتواند علاوه بر خروجی گرافیکی مناسب، اطلاعات کمی بسیار خوبی فراهم آورد که در تحقیقات آزمایشگاهی قابل حصول نیستند. از این رو در سالهای اخیر در زمینه اختلاط و میکروسیالات از تکنیکهای CFD استفاده میشود.
در مطالعات بسیاری، نرمافزارهای مدلسازی مختلفی برای ارزیابی انتقالجرم و جریان در مقاطع میکروکانال به کار گرفته شدهاند. این مطالعات معمولا اختلاط و افت فشار را در میکروکانالهای متقارن بخصوص میکروکانالهای مرسوم Tشکل بررسی میکنند. رحیمی و همکاران [8] عملکرد اختلاط را در پنج هندسه مختلف میکروکانال را ارزیابی کردند. آنها اثر زاویه تماس کانال و نسبت جریانها بر عملکرد اختلاط را با شبیهسازی CFD بررسی نمودند.
کاشید و همکاران [9] با شبیهسازی CFD به مطالعه الگوهای جریان حلزونی1 و انتقال جرم با و بدون واکنششیمیایی در میکروراکتور پرداختند. گوا و همکاران [10] با استفاده از مدل دینامیکسیالاتمحاسباتی به مطالعه هیدرودینامیک جریان حلقوی در میکروکانال ها پرداختند. در این تحقیق ضمن معرفی آرایش جدیدی بعنوان میکرومیکسر، شبیهسازی CFD به منظور تشخیص کیفیت جریان دوفازی و محدوده دبی مربوط به هر رژیم جریان صورت گرفت. فرمولاسیون حجم سیال VOF بدون در نظر گرفتن اثرات انتقال جرم در این مطالعه بکار گرفته شد.
-2 شبیه سازی CFD
-1-2هندسه، مش و شرایط مرزی
نرم افزارGAMBIT بمنظور رسم هندسه و ایجاد شبکه محاسباتی مورد استفاده قرار گرفت. شکل 1 و جدول 1 شمای میکروکانال سیکلونی و ابعاد مشخصه آن را نشان میدهند. در این مطالعه بررسی استقلال از مش با 4 تراکم 20000، 28000، 35000 و 41000 صورت گرفت که در نهایت تراکم 35000 بعنوان مش بهینه انتخاب شد. موضوع مورد بررسی در استقلال از مش افت فشار جریان تک فاز آب در میکرومیکسر بود که با کاهش اندازه مش نسبت به تراکم 35000 تغییر محسوسی در آن مشاهده نشد. شکل 2 شبکه مش نهایی ایجاد شده را نمایش میدهد.
