مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی اختلاط دو مولفه‌ای سیالات غیرنیوتونی در میکرومیکسرهای Tشکل دوگانه و چندگانه با ورودی‌های هم‌راستا و ناهم‌راستا

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران
چکیده
میکرومیکسرهای منفعل در مقایسه با میکرومیکسرهای فعال تکنولوژی ساخت ساده‌تری داشته و تنها انرژی مورد نیاز آنها انرژی پمپاژ جریان است. در این مطالعه رفتار اختلاط سیالات غیرنیوتنی با استفاده از مدل غیرنیوتونی پاورلا در میکرومیکسرهای منفعل مورد بررسی قرار گرفته است. مدل‌سازی در این پژوهش با استفاده از کد تجاری دینامیک سیالات محاسباتی انسیس فلوئنت انجام‌ شده و دو رویکرد اختلاط دومولفه‌ای مورد مطالعه قرارگرفته است. رویکرد اول شامل بررسی رفتار اختلاط سیالات با تغییر شاخص توانی و شاخص پایداری در پنج هندسه سه‌بُعدی شامل دو T میکرومیکسر چندگانه با ورودی‌های هم‌راستا و ناهم‌راستا در یک صفحه و دو صفحه، T میکرومیکسر چندگانه، T میکرومیکسر دوگانه و T میکرومیکسر در سه‌بُعد انجام‌ شده است و رویکرد دوم بررسی رفتار اختلاط با تغییر شاخص توانی و ثابت نگه‌داشتن شاخص پایداری در دو هندسه چندگانه با ورودی‌های ناهم‌راستا در سه‌بُعد بوده است. در هر دو بخش این مطالعه از آب به‌عنوان سیال نیوتونی و از محلول کربوکسی‌متیل‌سلولز به‌عنوان سیال غیرنیوتونی استفاده‌ شده و محدوده اعداد رینولدز مورد بررسی در پژوهش حاضر ۱ تا ۱۰۰ بوده است. در هر دو رویکرد بررسی‌شده نتایج شاخص اختلاط و اُفت فشار نسبت به اعداد رینولدز براساس معیار شاخص توانی معکوس یکدیگر هستند، به این مفهوم که در رویکرد اول با افزایش شاخص توانی شاخص اختلاط افزایش ‌یافته و اُفت فشار کاهش یافته و در رویکرد دوم این روند معکوس است. اما روند سرعت‌های کاملاً توسعه‌یافته بی‌بُعد در دو رویکرد بررسی‌شده در مقایسه هندسه‌های با ورودی‌های ناهم‌راستا مشابه است.



کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Study of Mixing Two-Components Non-Newtonian Fluids in Double T-Shaped Micromixers and Multiple T-Shaped with Aligned and Non-Aligned Inputs

نویسندگان English

E. Nematollahi
M. Sefid
Energy Conversion Department, Mechanical Engineering Faculty, Yazd University, Yazd, Iran
چکیده English

Passive micro-mixers have simpler manufacturing in comparison with active micro-mixers and only require energy for flow pumping. In the present study, non-Newtonian fluids and non-Newtonian power-law fluid’s mixing behavior in passive micro-mixers have been studied. Simulation has been performed, using computational fluid dynamics commecrical code of Ansys fluent and two different approaches of two-component mixing have investigated. The first approach studies fluid’s mixing behavior by changing flow behavior index and flow consistency index in 5 different 3D geometries as multiple T-micromixer with aligned and non-aligned inputs in one and two plane, respectively, multiple T-micromixer, double T-micromixer, and T-micromixer, while the second approach studies mixing behavior by changing flow behavior index while flow consistency index is constant in two multiple 3D geometries with non-aligned inputs. In all studies, water was used as Newtonian fluid and carboxymethyl cellulose solution was used as non-Newtonian fluid. The studied range of Reynolds number was 1 to 100. In both approaches, the results for mixing index and pressure drop for power-law index according to criterion are reverse of each other; it means that in the first approach, with increasing power-law index, the mixing index increased and the pressure drop decreased and in second approach, this procedure is reversed. But, procedure of non-dimensional fully developed velocities in two approaches investigated is similar in comparison to geometries with non-aligned inputs.



کلیدواژه‌ها English

numerical study
Non-Newtonian
Double and Multiple T-micromixers
Non-aligned
Power-law
Santana HS, Silva Jr JL, Taranto OP. Numerical simulation of mixing and reaction of Jatropha curcas oil and ethanol for synthesis of biodiesel in micromixers. Chemical Engineering Science. 2015;132:159-168. [Link] [DOI:10.1016/j.ces.2015.04.014]
Mansour M, Kawahara A, Sadatomi M. Numerical investigation of two-phase flow through a T-junction microchannel reactor. Journal of Environmental Science and Engineering A. 2014;3(1A):42-54. [Link]
Lee CY, Wang WT, Liu CC, Fu LM. Passive mixers in microfluidic systems: A review. Chemical Engineering Journal. 2016;288:146-160. [Link] [DOI:10.1016/j.cej.2015.10.122]
Jeong GS, Chung S, Kim CB, Lee SH. Applications of micromixing technology. Analyst. 2010;135(3):460-473. [Link] [DOI:10.1039/b921430e]
White FM. Viscous fluid flow. 3rd Edition. New York: McGraw-Hill; 2006. [Link]
Huang YT, Wu CY, Huang SW. Longitudinal vortices mixing in three-stream micromixers with two inlets. International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering. 2014;8(7):1175-1180. [Link]
Capretto L, Cheng W, Hill M, Zhang X. Micromixing within microfluidic devices. In: Lin B, editor. Microfluidics: Technologies and applications. Berlin: Springer; 2011. pp. 27-68. [Link] [DOI:10.1007/128_2011_150]
Baheri Islami S, Khezerloo M, Gharraei R. The effect of chaotic advection on mixing degree and pressure drop of non-Newtonian fluids flow in curved micromixers. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2017;39(3):813-831. [Link] [DOI:10.1007/s40430-016-0689-1]
Alam A, Kim KY. Mixing performance of a planar micromixer with circular chambers and crossing constriction channels. Sensors and Actuators B Chemical. 2013;176:639-652. [Link] [DOI:10.1016/j.snb.2012.09.047]
Cortes-Quiroz CA, Azarbadegan A, Zangeneh M. Evaluation of flow characteristics that give higher mixing performance in the 3-D T-mixer versus the typical T-mixer. Sensors and Actuators B Chemical. 2014;202:1209-1219. [Link] [DOI:10.1016/j.snb.2014.06.042]
Bothe D, Stemich C, Warnecke HJ. Fluid mixing in a T-shaped micro-mixer. Chemical Engineering Science. 2006;61(9):2950-2958. [Link] [DOI:10.1016/j.ces.2005.10.060]
Ait Mouheb N, Malsch D, Montillet A, Solliec C, Henkel T. Numerical and experimental investigations of mixing in T-shaped and cross-shaped micromixers. Chemical Engineering Science. 2012;68(1):278-289. [Link] [DOI:10.1016/j.ces.2011.09.036]
Srisamran Ch, Devahastin S. Numerical simulation of flow and mixing behavior of impinging streams of shear-thinning fluids. Chemical Engineering Science. 2006;61(15):4884-4892. [Link] [DOI:10.1016/j.ces.2006.03.031]
Ansari MA, Kim KY, Anwar K, Kim SM. Vortex micro T-mixer with non-aligned inputs. Chemical Engineering Journal. 2012;181-182:846-850. [Link] [DOI:10.1016/j.cej.2011.11.113]
Izadpanah E, Hekmat MH, Azimi H, Hoseini H, Babaie Rabiee M. Numerical simulation of mixing process in T-shaped and DT-shaped micromixers. Chemical Engineering Communications. 2018;205(3):363-371. [Link] [DOI:10.1080/00986445.2017.1396216]
Fluent A. 18.0 ANSYS Fluent Theory Guide 18.0.. [Internet]. Canonsburg: Ansys Inc; 2017. Available from: Not Found [Link]
Madlener K, Frey B, Ciezki HK. Generalized reynolds number for non-newtonian fluids. Progress in Propulsion Physics. 2009;1:237-250. [Link] [DOI:10.1051/eucass/200901237]
Galletti Ch, Arcolini G, Brunazzi E, Mauri R. Mixing of binary fluids with composition-dependent viscosity in a T-shaped micro-device. Chemical Engineering Science. 2015;123:300-310. [Link] [DOI:10.1016/j.ces.2014.11.025]