مطالعه عددی تشکیل قطره در میکروکانال Y-شکل با زوایای اتصال مختلف

نوع مقاله : پژوهشی کامل

نویسنده

استادیار، دانشکده فنی مهندسی، گروه مکانیک، واحد ساری، دانشگاه آزاد اسلامی، ساری، ایران

چکیده

حرکت قطرات در میکروکانال­ها کاربردهای زیادی، از جمله کپسوله نمودن دارو، آنالیز DNA و حمل دارو دارد. در این مقاله، فرآیند تشکیل قطرات در میکروکانال Y-شکل، بصورت عددی، شبیه سازی می­شود. به این منظور، از نرم­افزار Ansys Fluent استفاده می­شود. کار عددی حاضر با نتایج آزمایشگاهی محققان پیشین اعتبارسنجی شده است. مقایسه بین نتایج نشان می­دهد که شبیه­سازی حاضر انحرافی کمتر از 10 درصد با مطالعات آزمایشگاهی محققان پیشین دارد. تاثیر تغییر نسبت جریان (2/25≥Q≥6/0) روی الگوی جریان، اندازه قطره، فاصله بین قطرات و زمان شکست برای چهار زاویه بین ورودی­میکروکانال (45، 90، 135 و 180 درجه) با جزئیات انجام شده است. سه نوع رژیم جریان: فشاری، چکیدن و موازی ملاحظه شد. نتایج نشان می دهند زاویه بین ورودی­های میکروکانال ˚135، زاویه بهینه برای تولید کوچکترین قطرات می­باشد. همچنین مشاهده می­شود که در زاویه بهینه با افزایش نسبت جریان از 6/0 به 2/25، اندازه و زمان بی­بعد قطرات به ترتیب 83/3 و 33/3 برابر کاهش می­یابد. هرچند این پارامتر اثر معکوس روی فواصل مابین قطرات دارد بطوریکه که منجر به افزایش 33/4 برابری فواصل مابین قطرات تشکیل شده می­شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Cal K., How does the Type of Vehicle Influence the in Vitro Skin Absorption and Elimination Kinetics of Terpenes. Arch. Dermatol., Vol. 297, pp. 311–315, 2006.
[2]  Losey M.W., Jackman R.J., Firebaugh S.L., Schmidt M.A. and Jensen, K.F., Design and Fabrication of Microfluidic Devices for Multiphase Mixing and Reaction, J. Microelectromech. Syst., Vol. 11, pp. 709–717, 2002.
[3]  Burns M.A., Johnson B.N., Brahmasandra S.N., Handique K., Webster J.R., Krishnan M., Sammarco T.S., Man P.M., Jones D., Heldsinger D., Mastrangelo C.H. and Burke D.T., An Integrated Nanoliter DNA Analysis Device, Science, Vol. 282, pp. 484–487, 1998.
[4]  Karniadakis, G., Beskok, A., and and Aluru, N., Microflows and Nanoflows Fundamentals and Simulation. Springer Inc, 2005.
[5]  Zhao Y., Chen G. and Yuan, Q., Liquid-liquid Two-phase Flow Patterns in a Rectangular Microchannel. AIChE J., Vol. No. 2, pp. 4052–4060, 2006.
[6]  Jullien M.C., Ching M.J., Cohen C., Menetrier L. and Tabeling P., Droplet Break up in Microfluidic T-junction at Small Capillary Number. Physics of Fluids, Vol. 21, pp. 072001, 2009.
[7]  Leshansky A.M. and Pismen L.M., Break up of Drops in a Microfluidic T junction. Physics of fluid, Vol. 21, pp. 023303, 2009.
[8]  Afkhami S., Leshansky A.M. and Renardy Y., Numerical Investigation of Elongated Drops in a Microfluidic T-Junction. Physics of Fluid, Vol. 23, pp. 022002, 2011.
[9]   Wu L., Tsutahara M., Kim L.S. and Ha M., Three-dimensional Lattice Boltzmann Simulations of Droplet Formation in a Cross-junction Microchannel, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 34, pp. 852–864, 2008.
[10]             Oishi M., Kinoshita H., Fujii T. and Oshima M., Measurement of Three Dimensional Flow Structure of Droplet Formation Mechanism in T-shaped Junction Using Phase-locked Confocal Micro-PIV, 14th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, Groningen, Netherlands, October 3 - 7, 2010.
[11]              Mei Y.Y., Chao Y., Yi J. Ameya J., Chun S.Y. and Long X., Numerical Simulation of Immiscible Liquid-liquid Flow in Microchannels Using Lattice Boltzmann Method, Science China Chemistry, Vol. 54, pp 224-256, 2011..
[12]             Zhao Y., Chen G., Ye C., and Yuan Q., Gas–liquid Two-phase Flow in Microchannel at Elevated Pressure, Chememical Engineering Science, Vol. 87, pp 122–132, 2013.
[13]             Yamamoto K., and Ogata S., Drag Reduction of Slug Flows in Microchannels by Modifying the Size of T-junctions, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 62, pp. 67–72, 2014.
[14]             Shi Y., and Tang G.H., Lattice Boltzmann Simulation of Droplet Formation in Non-Newtonian Fluids. Communications in Computational Physics, Vol. 17, pp. 1056–1072, 2015.
[15]             Fallah K. and Rahni M.H., Lattice Boltzmann Simulation of Drop Formation in T-junction Microchannel. Journal of Molecular Liquids, Vol. 240, pp. 723–732, 2017.
[16]             Fallah K., Rahni M.H., Mohammadzadeh A., and Najafi M., Drop Formation in Cross-junction Microchannel, Using Lattice Boltzmann Method. THERMAL SCIENCE, Vol. 22, No. 2, pp. 909-919, 2018.
[17]             Ghaderi A., Kayhani M.H., Nazari M. and Fallah K., Drop Formation of Ferrofluid at Co-flowing Microcahnnel under Uniform Magnetic Field. European Journal of Mechanics/B Fluids, Vol. 67, pp. 87–96, 2018.