بررسی تجربی و عددی پدیده اختلاط در میکرومیکسرها

در این پژوهش، به بررسی تجربی و عددی پدیده اختلاط در میکرومیکسر t شکل با هندسه های مختلف پرداخته شده است. به منظور بررسی تجربی پدیده اختلاط، یک دستگاه آزمایش متشکل از سیستم تأمین دبی و فشار مورد نیاز برای جریان سیال، برای اولین بار طراحی و به کار گرفته شده است. همچنین، مدل های مختلف میکرومیکسر در ابعاد متفاوت توسط برش لیزر دی اکسید کربن روی صفحات شفاف پلیمری به نام پلگسی گلس ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفته اند. جهت استخراج داده های مورد نیاز از سیستم، روش عکس برداری به همراه پردازش تصویر به کار گرفته شده است. برای این منظور، یک برنامه با استفاده از جعبه ابزار پردازش تصویر در نرم افزار متلب، برای هندسه های مختلف و با ابعاد هندسی گوناگون، نوشته شده است. میکرومیکسر t شکل ساده، و سه مدل میکرومیکسر t شکل با کانال هایی به شکل مربعی، مارپیچ و زیگزاگ در آزمایش های تجربی مقایسه شده اند. نتایج هر سه مدل اشاره شده دارای راندمان اختلاط بالاتری نسبت به مدل t شکل ساده هستند و در این بین مدل مربعی بالاترین راندمان اختلاط را دارا می باشد. راندمان اختلاط مدل مربعی در عدد رینولدز 45 به بیش از 90% می رسد و در عدد رینولدز 78 هر سه مدل مربعی، مارپیج و زیگزاگ به اختلاط کامل می-رسند اما طول اختلاط در مدل مربعی نسبت به سایر مدل ها کمتر است. در اعداد رینولدز پایین یعنی کوچک تر از 100 هر سه مدل افت فشار تقریباً یکسانی دارند بنابراین مدل مربعی کارامد ترین مدل ارائه شده می باشد. جهت شبیه سازی عددی فرآیند اختلاط درون میکرومیکسرها به صورت گذرا، برنامه ای در مختصات دوبعدی و استوانه ای با قابلیت حل معادلات ناویر ـ استوکس برای جریان سیال تراکم ناپذیر، توسعه داده شده است. به علاوه، برای بررسی پدیده ی اختلاط، معادله جابجایی ـ پخش گونه به برنامه موجود اضافه شده و با نتایج تجربی مقایسه شده است. در اعداد رینولدز پایین، مطابقت خوبی بین نتایج وجود داشت اما مشخص شد که در اعداد رینولدز بالا، این پدیده باید به صورت سه بعدی شبیه سازی شود. بنابراین، جهت شبیه سازی سه بعدی و مقایسه با نتایج تجربی، نرم افزار فلوئنت مورد استفاده قرار گرفته است که نتایج حاصله دارای مطابقت خوبی با نتایج تجربی می باشند. همچنین با استفاده از کد عددی توسعه یافته، پدیده اختلاط در کانال t شکلِ دارای موانع مورد بررسی قرار گرفته و یک میکرومیکسر متقارن محوری جدید ارائه شده است که به طور قابل ملاحظه ای راندمان اختلاط بالاتری نسبت به مدل t شکل ساده دارد. این میکرومیکسر متقارن محوری جدید، بیش از 20% راندمان اختلاط بالاتری نسبت به مدل t شکل ساده دارا می باشد.