بررسی تاثیر زاویه تماس بر شکل و اندازه قطرات در میکروکانال تیشکل

Transcript

1 بررسی تاثیر زاویه تماس بر شکل و اندازه قطرات در میکروکانال تیشکل هاجر محمدزاده ثانی 1 * محسن نظري محمد حسن کیهانی 3 1 کارشناسی ارشد دانشگاه صنعتی شاهرود mohamadzade1568@gmail.com دانشیار دانشگاه صنعتی شاهرود mnazari@shahroodut.ac.ir 3 استاد دانشگاه صنعتی شاهرود m_kayhani@yahoo.com چکیده در ساله يا اخیر درك پدیدهه يا فیزیکی در مقیاس میکرو به علت کاربرد فراوان و گسترده آنها در صنعت و به ویژه علوم پزشکی از اهمیت خاصی برخوردار است. یکی از چالشهاي مهم در بررسی دینامیک سیالات در مقیاس میکرو بررسی فرآیند تشکیل قطره در میکروکانالها به منظور کنترل اندازه حرکت قطرهه يا تولیدي میباشد. در این مطالعه از مدل چندفازي شبکه بولتزمن براي شبیه- سازي تشکیل قطره در میکروکانال تیشکل استفاده شده است.اعداد بیبعد مهم در این مطالعه عدد مویینگی (نسبت بین نیروي لزجت و نیروي کشش سطحی) ونسبت سرعت ورودي دوفاز( R ) می- باشد.اثر زاویه تماس بر شکل و اندازه قطرات مورد مطالعه قرار گرفته است. مطالعات نشان میدهد کهزاویه تماس قطره با سطح دیوار نقش مهمی را در طول نهایی قطره و شکل قطره در اعداد مویینگی مختلف ایفا میکند. کلمات کلیدي:میکروکانال روش شبکه بولتزمن جریانهاي چندفازي قطره. * اسفراین صندوق پستی mohamadzade1568@gmail.com 1

2 1.مقدمه فرآیند تشکیل قطره از دو سیال مخلوطنشدنی در میکروکانالها داراي کاربردهاي فراوانی نظیر صنایع غذا و پلیمر[ 1 ] تولید دارو [] آنالیزهاي دي- نا [3] و میکروراکتورها [ 4 ]میباشد.ابریشمکار و همکارانش با استفاده از نرم افزار - يا 1 کامسول تولید قطره در دستگاه میکروسیال جریان متمرکز با جریانهاي متقاطع را شبیهسازي کردند. آنها اثر نسبت سرعت دو مایع آب(فاز جداشونده) و روغن (فاز پیوسته) را روي اندازهي ریزقطرات مورد بررسی قرار دادند. نتایج شبیهسازي آنها نشان میدهد که افزایش نسبت سرعت فاز جداشونده به فاز پیوستهموجب افزایش اندازهي قطرات میشود[ 5 ]. چاندرکار و پالیت 3 از نرم افزار FLOW-3D براي شبیهسازي شکلگیري و دینامیک ریزقطره در دستگاه میکروسیال تیشکل استفاده کردند.. نتایج شبیهسازي ایشان نشان میدهد که با افزایش دبی حجمی فاز جداشونده اندازهي ریزقطرات بزرگتر میشود. [6]. علیزاده و همکاران[ 7 ] از مدل تابع مشخصه هی براي شبیهسازي تشکیل قطره در فرآیند امولسیون (ترکیب دو سیال مخلوط نشدنی) در میکروکانال هممحوراستفاده کردند.. نتایج آنها نشان میدهد که دونوع رژیم جریان (جتی باریک و جتی پهن)بر رفتار جریان در فرآیند تشکیل قطره چکه کردن 4 و جتی 5 حاکم است. فرهادي و همکاران [8] رژیمهاي مختلف تشکیل قطره و تاثیر عدد موي ینگی و عدد رینولدز را بر تشکیل قطره بررسی کردند. در این مطالعه از تلفیق روش بولتزمن شبکهاي با روش انرژي آزاد براي بررسی تاثیر زاویه تماس بر شکل و اندازه قطرات در میکروکانال تیشکل استفاده شده است.. روش عددي یک سیستم دوفازي تراکمناپذیر که از دو فاز A و B با چگالیهاي ρρ AA و ρρ BB تشکیل شده باشد را در نظر میگیریم. ρρ چگالی کل است که از مجموع چگالی فازها تشکیل میشود.ρρ = ρρ AA + ρρ BB پارامتر φφ مشتق نرمال چگالیهاي دو فاز میباشد. φφ = (ρρ AA ρρ BB)/ ρρ پتانسیل شیمیایی µ به عنوان مشتقات جزیی تابع انرژي آزاد طبق معادله (1) تعریف میشود. μμ = δδδδ δδδδ = ΨΨ (φφ) kk φφ = aaaa(φφ 1) kk φφ ( 1) ζζ = kk/aa ضخامت فصل مشترك است که توسط رابطه ζζ دست میآید که در آن σσبه = 4kk کشش سطحیاز رابطه 3ζζ به دست میآید. دو تابع توزیع ff ii و gg ii () براي توصیف تغییرات پارامتر( φφ(xx و سرعت میدان جریان uu (xx) در هر مکان شبکه x و زمان t به کار رفته است. تغییرات این توابع توزیع با استفاده از معادلات بولتزمن با تک زمان آرامش مطابق زیر است. ff aa σσ (xx + ee aa tt, tt + tt) = ff aa σσ (xx, tt) ff aa σσ (xx, tt) ff aa σσ,eeee (xx, tt) ττ ff ww ττ aa ee aa uu ff cc ss + ee aa. uu cc4 ee aa. FF ss δδ tt ss gg aa (xx + ee aa tt, tt + tt) = gg aa (xx, tt) gg aa (xx, tt) gg aa eeee (xx, tt) ττ gg (3) DNA ۱ Abrishamkar ۲ Chandorkar and Palit ۳ Dripping ٤ Jetting ٥

3 ττ gg که در معادلات بالا ττ ff و طبق معادلات زیر به دست میآید. بیانگر دو زمان آرامش مستقل براي هر یک از توابع توزیع میباشند. توابع توزیع تعادلی 3ee aa. uu + 9 ff eeee aa = ww aa AA aa + ρρ( ee ii. uu σσ 3 ) uu. uu 3ee aa. uu + 9 gg eeee aa = ww aa BB aa + φφ( ee ii. uu σσ 3 ) uu. uu ( 4) ( 5) براي لزجتهاي نابرابر دو فاز لزجت به صورت تابع خطی از لزجتها طبق معادله زیر تعریف میشود. ηη(φφ) = 1 φφ MM = ΓΓδδ tt ττ gg 1 ηη AA φφ ηη BB ( ۶) ( ۷) در انتها نیز کمیتهاي ماکروسکوپیک توسط روابط زیر به دست میآیند: φφ(xx, tt) = gg ii (xx, tt) ρρ(xx, tt) = ff ii (xx, tt) ii ii (8) (9).(1 (شکل 3. شبیهسازي جریان در میکروکانال کانالتیشکلمیکروکانالیاستکهشاملیکورودیوخروجیاست = cc 0wwوفازجداشوندهازمیانیک کانالفرعی با همان طورکهدرشکلمشخصشدهاستفازپیوستهازمیانکانالاصلی با عرض بهداخلمیکروکانالتزریقمی شود. 0ww dd = عرض دراینشبیه سازي شرایطمرزیاستفادهشده سرعتمشخصدرورودي هاکهمطابقطرحپیشنهادیزووهی [ 9 ]وخروجیشرطمرزیخروجیا زاد[ 10 ]تنظیمشدهاست. دردیواره هانیزشرطمرزیبازگشتبهعقباستفادهشدهاست. شکل 1: شماتیکی از تشکیل قطره در یک میکروکانال تیشکل 3

4 4. اعتبار سنجی هنگامیکه یک قطره در تماس با یک سطح جامد قرار میگیرد آنگاه میان دو سیال و سطح جامد خط انحلال ناپذیر 6 تماسی ایجاد میشود. ترشوندگی 7 یک سطح نسبت به سیال بستگی به زاویه تماس (θθ) دارد. براي زاویه کمتر از 90 درجه سیال تمایل به خیس کردن سطح دارد.چنین سطوحی آبدوست 8 نامیده میشود. براي زاویه بزرگتر از 90 درجه سیال به شکل فشرده در میآید و چنین سطوحی مختلف نشان میدهد. نامیده میشود. شکل قطره را در سه زاویه تماس آبگریز 9 60θθ = o (الف) 90θθ = o (ب) شکل : تغییر شکل قطره به ازاي زوایاي تماس مختلف 140θθ = o (ج) 5. نتایج زاویه تماس قطره با سطح دیوار نقش مهمی را در طول نهایی قطره در اعداد مویینگی پایین ایفا میکند. مهمترین دلیل این است که سایز قطره در اعداد مویینگی پایین خیلی بزرگ است و قطرات پلاگ شکل هستند و در نتیجه بخش بزرگی از قطره به دیوارههاي کانال چسبیده است. بنابراین قطره تشکیلشده در کانالهایی با دیوارهاي آبگریز در اعداد مویینگی کمتر از 0/04 بزرگتر از قطرات تولیدي در کانالهایی با دیوارهاي آبدوست میباشند (شکل 3 ستون دوم). با افزایش عدد مویینگی سایز قطره کوچک است و تنها بخش کوچکی از قطره در تماس با دیوار قرار دارد بنابراین این تا ثیر با افزایش عدد مویینگی به تدریج کاهش مییابد (شکل 4). الف) ب) ج) 10 0 Ca=0/01 و براي سه زاویه تماس و 10 درجه Ca=0/005 شکل 3: الگوي جریان به ازاي دو عدد مویینگی 0/005 و 0/ Immiscible wettability ۷ hydrophilic ۸ hydrophobic ۹

5 θ= θ=10 5 θ=140 (اندازه قطره) D Ca شکل 4: الگوي جریان به ازاي دو عدد مویینگی 0/005 و 0/01 و براي سه زاویه تماس و 10 درجه در ضمن یک پدیده جالب در کانال اصلی ظاهر میشود که با توسعه و کاهش زاویه تماس قطره متفاوت میباشد. شکل قطره با کاهش زاویه تماس به تدریج از شبه کره به گلابی شکل تغییر میکند. در نتیجه به منظور به دست آوردن قطرات تقریبا کروي زاویه تماس بین قطره و دیوارهاي کانال نباید خیلی کوچک تنظیم گردد (شکل 5). θθ =60 θθ =90 θθ =10 θθ =180 شکل : 5 الگوي جریان فاز جداشونده به ازاي زوایاي تماس مختلف در Ca=0/005 و نسبت نرخ جریان 0/5 و نسبت ویسکوزیته 0/5 5

6 6- نتیجه گیري در اینمقاله از روش شبکه بولتزمن با مدل انرژي آزاد براي شبیهسازي فرآیند تشکیل قطره در در میکروکانال تیشکل (شامل دوسیال مخلوطنشدنی) استفاده شده است. براي صحتسنجی اعمال صحیح مدل از آزمون تماس زاویه استفاده شده است. در ادامه تاثیر زاویه تماس بر شکل و اندازه قطرات مورد بررسی قرار گرفته است. در اعداد مویینگی پایین (کمتر از 0/04) اندازه قطرات با افزایش زاویه تماس افزایش مییابد. اما براي اعداد مویینگی بیشتر از 0/04 در زوایاي تماس کمتر قطرات بزرگتري تشکیل میشود. مراجع [1] CalK, How does the type of vehicle influence the in vitro skin absorption and elimination kinetics of terpenes, Archives of dermatological research, vol. 97, pp , 006. [] Richter M, Woias P, Wei D, Microchannels for applications in liquid dosing and flow-rate measurement, Sensors and Actuators A: Physical, vol. 6, pp , [3] Burns M, Johnson B, Brahmasandra S, Handique K, Webster J, KrishnanM, An integrated nanoliter DNA analysis device, Science, vol. 8, pp , [4] LoseyM, Jackman R, Firebaugh S, Schmidt M, Jensen K, Design and fabrication of microfluidic devices for multiphase mixing and reaction, Microelectromechanical Systems, vol. 11, pp , 00. [5] Elzanfaly E, Hassan S, Salem M, El-Zeany B, Continuous Wavelet Transform, a powerful alternative to Derivative Spectrophotometry in analysis of binary and ternary mixtures: A comparative study, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy,vol. 151, pp , 015. [6] Chandorkar A, Palit S, Simulation of droplet dynamics and mixing in microfluidic devices using a VOF-based method, Sensors & Transducers,vol. 7, p. 136, 009. [ 7 ]علیزاده, م., طیبی رهنی, م,.افتخاري یزدي, م بررسی عددي فرایند امولسیون در میکروکانالها با استفاده از روش شبکه بولتزمن با مدل تابع مشخصه مهندسی مکانیک مدرس 4)15 ) 015. [8] AzarmaneshM, Farhadi M, The effect of weak-inertia on droplet formation phenomena in T-junction microchannel, Meccanica, pp , 015. [9] Zou Q, He X, On pressure and velocity boundary conditions for the lattice Boltzmann BGK model, Physics of Fluids, vol. 9, pp , [10] MohamadA., Lattice Boltzmann method: fundamentals and engineering applications with computer codes: Springer Science & Business Media,