طراحی ریزمخلوط کن های پیچشی و مدل سازی میدان جریان

اختلاط، یکی از واحدهای عملیاتی مهم در ابزار مقیاس میکرو برای همگن سازی و آماده سازی نمونه است. ریز مخلوط کن ها به عنوان ابزار اختلاط حداقل دو فاز مختلف جامد، مایع یا گاز در مقیاس کوچک مورد استفاده قرار می گیرند. در سال های اخیر به دلیل اهمیت زیاد اختلاط سریع و کارآمد در سیستم های میکروجریان در زمینه های بیوشیمیایی و بیوپزشکی، تحقیقات متعددی در زمینه اختلاط در ریزمخلوط کن ها انجام شده است. تاکنون مطالعات عددی و تجربی متعددی در اختلاط سیالات در ریزمخلوط کن هایی با کانال های مستقیم تحت رژیم جریان آرام و متلاطم با شرایط مرزی متفاوت انجام شده اما اختلاط در ریزمخلوط کن های پیچشی در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش از دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان ابزاری در مدل سازی سه بعدی جریان تک فازی درون ریزمخلوط کن های پیچشی با کانال های خمیده استفاده شده است. در این تجهیزات، جریان دین در میکروکانال ها ایجاد می شود و در نتیجه اثر متقابل نیروی گریز از مرکز و حرکت سیال در کانال های خمیده، گرادیان فشار شعاعی ایجاد شده که باعث افزایش اختلاط می شود. هدف از این مدل سازی، بررسی اثر مشخصه های طراحی (ابعاد میکروکانال ها، تعداد جریان های ورودی و تعداد واحدهای اختلاط) بر روی میدان جریان و اثر مشخصه های عملیاتی (عدد رینولدز) بر روی افت فشار و میزان اختلاط است. فرایند مدل سازی با حل همزمان معادلات انتقال جرم و مومنتوم و معادله نفوذ-جابجایی با روش المان محدود توسط نرم افزار کامسول انجام شده است. برای خواص سیال نیز از روابط تجربی منتشر شده در مقالات استفاده شده است. نتایج نشان دادند که برای مقادیر کم رینولدز، نفوذ مولکولی پدیده حاکم بر فرایند اختلاط است اما با تغییر هندسه ریزمخلوط کن و تشکیل گردابه های دین، دستیابی به بازده اختلاط حدود 98% حتی در اعداد رینولدز کم نیز امکان پذیر است. همچنین مقادیر بهینه مشخصه های طراحی برای دستیابی به حداکثر بازده اختلاط تعیین شدند. درنهایت با مقایسه مدل های پیشنهادی با مدل مرجع مشخص شد که مدل های پیشنهادی به دلیل دارا بودن میزان اختلاط بیشتر و سهولت ساخت برای کاربرد در تراشه های آزمایشگاهی مناسب هستند.