شبیه‌سازی عددی اختلاط سیالات ویسکوالاستیک در یک میکرومیکسر T-Y شکل

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 2، دوره 37، شماره 1 - شماره پیاپی 39، فروردین 1404، صفحه 17-28   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2024.87529.1248

نویسندگان

فاطمه خلیلیان¹؛ مرتضی بیاره^{* 2}

¹گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد

²گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

چکیده

پژوهش حاضر، دینامیک جریان اختلاط دو سیال ویسکوالاستیک یک میکرومیکسر T-Y شکل جدید را تحلیل می‌کند. محلول آبی با 10% پلی‌اتیلن گلایکول با وزن ملکولی 8000 و 1/0% پلی‌اتیلن اکساید با وزن ملکولی 2000000 که یک سیال بوگر است به‌عنوان سیال ویسکوالاستیک انتخاب می‌شود. با استفاده از نرم‌افزار کامسول مولتی‌فیزیکس، اختلاط دو سیال ویسکوالاستیک به صورت عددی و با استفاده از معادله ساختاری اولدروید-بی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. تأثیر سرعت ورودی یکسان، نسبت سرعت‌های ورودی و عدد وایزنبرگ بر بازده اختلاط ارزیابی و میزان افت فشار محاسبه و ارائه خواهد شد. نتایج نشان دادند اثر الاستیک در جریان سیال ویسکوالاستیک عامل اصلی افزایش اختلاط است. در فاصله 2800 میکرومتری از ابتدای کانال اصلی، شاخص اختلاط از حدود 46% برای سرعت ورودی 002/0 متر بر ثانیه به حدود 38% برای سرعت ورودی 006/0 متر بر ثانیه می‌رسد. با افزایش عدد وایزنبرگ، شاخص اختلاط در مقاطع مختلف میکروکانال افزایش یافت زیرا در اعداد وایزنبرگ بزرگتر، ناپایداری سیال ویسکوالاستیک بیشتر می‌شود. همچنین، نشان داده می‌شود که با کاهش نسبت سرعت، شاخص اختلاط کاهش می‌یابد. افت فشار نیز با افزایش سرعت، عدد وایزنبرگ و نسبت سرعت افزایش پیدا می‌کند.

کلیدواژه‌ها

میکروفلوئیدیک؛ میکرومیکسر T-Y شکل؛ سیال ویسکوالاستیک؛ عدد وایزنبرگ؛ شاخص اختلاط

مراجع

[1] F. Moradi, P. Pournadri, “Simulation of nanofluid flow at low Reynolds number in a microchannel with one-way source expansion under the effect of magnetic field,” Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 35, no. 3, Oct., pp. 85-100, 2023. (In Persian)  10.22067/jacsm.2023.79298.1143.

[2] A. Jahanbakhshi, A. Ahmadi Nadushan, M. Bayareh, “Effect of adding microtube on thermal and hydrodynamic behavior of a heatsink microchannel for nanofluid flow,” Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 34, no. 1, Jan., pp. 21-36, 2022. (In Persian) 10.22067/jacsm.2022.75344.1100.

[3] A. Jahanbakhshi, A. Ahmadi Nadushan, D. Bahrami, M. Bayareh, “Numerical investigation of forced displacement in a microchannel Numerical investigation of forced convection in a microchannel in the presence of the slip condition and nanofluid,” Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 34, no. 4, Dec., pp. 53-64, 2022. (In Persian) 10.22067/jacsm.2022.77928.1133.

[4] M. Bayareh, M.N. Ashani, A. Usefian, “Active and passive micromixers: A comprehensive review,” Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, vol. 147, p. 107771, 2019. https://doi.org/10.1016/j.cep.2019.107771.

[5] N. Kockmann, T. Kiefer, M. Engler, P. Woias, “Convective mixinandchemical reactionsinmicrochanneL with high flow rates,” Sensors Actuators B Chemical, vol. 117, no. 2, pp. 495-508, 2006. https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.01.004.

[6] G. S. Jeong, S. Chung, C. B. Kim, S. H. Lee, “Applications of Micromixing Technology,” Analyst,  vol. 135, no. 3, pp. 460–473, 2010. https://doi.org/10.1039/B921430E.

[7] Y. K. Suh, S. Kang, “A Review on mixing in microfluidics,” Micromachines, vol. 1, no. 3, pp. 82-111, 2010. https://doi.org/10.3390/mi1030082.

[8] N. T. Nguyen, Z. Wu, “Micromixers A review,” J. Micromech. Microeng, vol. 15, no. 2, p. R1, 2004. 10.1088/0960-1317/15/2/R01.

[9] C. A. Cortes-Quiroz, A. Azarbadegan, M. Zangeneh, “Evaluation of flow characteristics that give higher mixing performance in the 3-D T-mixer versus the typical T-mixer,” Sensors Actuators B Chemical, vol. 202, pp. 1209-1219, 2014. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.06.042.

[10] M. A. Ansari, K.Y. Kim, “Mixing performance of unbalanced split and recombine mixromixers with circular and rhombic sub–channels,” Chemical Engineering Journal, vol. 162, no. 2, pp. 760-767, 2010. https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.05.068.

[11] T. M. Dundi, V. R. K. Raju, V. P. Chandramohan, “Characterization of mixing in an optimized designed T-T mixer with cylindrical elements,” Chinese Journal of chemical Engineering, vol. 27, no. 10, pp. 2337-2351, 2019. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2019.01.030.

[12] T. N. T. Nguyen, M. C. Kim, J. S. Park. N. E. Lee, “An effective passive microfluidic mixer utilizing chaotic advection,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 132, pp. 172-181, 2008. https://doi.org/10.1016/j.snb.2008.01.022.

[13] B. S. Kim, B. S. Kwak, S. Shin, S. Lee, K. M. Kim, H. I. Jung, “Optimization of microscale vortex generators in a microchannel using advanced response surface method,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 54, no. 1-3, pp. 118-125, 2011. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.09.061.

[14] R. Milotin, D. Lelea, “The Passive Mixing Phenomena in Microtubes with baffle Configuration,” Procedia Technology, vol. 22, pp. 243-250, 2016. https://doi.org/10.1016/j.protcy.2016.01.075.

[15] N. Solehati, J. Bae, A. P. Sasmito, “Numerical investigation of mixing performance in microchannel T-junction with wavy structure,” Computers & Fluids, vol. 96, pp. 10-19, 2014. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2014.03.003.

[16] S. Wong, M. Ward, C. Wharton, “Micro T-mixer as a rapid mixing micromixer,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 100, no. 3, pp. 359–379, 2004. https://doi.org/10.1016/j.snb.2004.02.008.

[17] W. Yuan, M. Zhang, B. C. Khoo, N. P. Thien, “On peculiar behaviours at critical volums of a three-dimensional bubble rising in viscoelastic fluids,” Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, vol. 293, p. 104568, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2021.104568.

[18] L, Moreno, R. Codina, J, Baiges, “Numerical simulation of non-isothermal viscoelastic fluid flows using a VMS stabilized finite element formulation,” Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics , vol. 296, p. 104640, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2021.104640.

[19] C.W. Hua, L. Y. Yao, Z. H. Na, L. Y. Ke, C. J-Ping, L. X. Bin, “An efficient micro-mixer by elastic instabilities of viscoelastic fluids: Mixing performance and mechanistic analysis,” International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 74, pp. 130-143, 2018. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2018.09.006.

[20] J. Yang, Y. Chen, C. Du, X. Guan, J. Li, “Numerical simulation of electroosmotic mixing of non-Newtonian fluids in a micromixer with zeta potential heterogeneity,” Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, vol. 186, p. 109339, 2023. https://doi.org/10.1016/j.cep.2023.109339.

[21] Y. Chen, J. Li, Z. Lv, Y. Wei, C. Li, “Mixing performance of viscoelastic fluids in an induced charge electroosmotic micromixer with a conductive cylinder,” Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, vol. 317, p. 105047, 2023. https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2023.105047.