بررسي عددي اختلاط دو سيال با چگالي و لزجت متفاوت در يك ميكرو كانال مجهز به همزن نوساني اجباري

Numerical Analysis of two-fluid mixing with various Density and Viscosity in a microchannel with forced oscillating stirrer

در اين پژوهش، اختلاط دو سيال تراكم ناپذير مخلوط شونده با چگالي و لزجت متفاوت، در يك ميكرو كانال دو بعدي مجهز به همزن (پره) نوسان كننده، در فركانس هاي تحريك كننده مختلف مورد بررسي قرار گرفته است. با وجود اينكه اكثر مطالعات صورت گرفته در زمينه اختلاط، به بررسي عملكرد يك مخلوط كننده، با هدف اختلاط دو سيال كاملاً يكسان پرداخته اند مي توان گفت كه اختلاط دو سيال زماني مفهوم پيدا مي كند كه دو سيال مخلوط شونده داراي نايكنواختي از قبيل دما، غلظت و يا خواص متفاوت نسبت به هم باشند. هدف از اين پژوهش، بررسي تاثير تفاوت در خواص دو سيال حل شونده، بر عملكرد مخلوط كننده و ميزان اختلاط است. شبيه سازي در عدد رينولدز 50 و عدد اشميت 10، در محدوده ي عدد استروهال بين 0.1 تا 1 با روش حجم محدود مبتني بر المان، توسط كد تجاري CFX صورت گرفته است. عملكرد مخلوط كننده در سه حالت مختلف مورد بررسي قرار گرفت: اختلاط دو سيال يكسان، اختلاط دو سيال با چگالي متفاوت و اختلاط دو سيال با لزجت متفاوت. نتايج بدست آمده نشان مي دهد كه يكسان نبودن خواص دو سيال، منجر به تغيير عملكرد مخلوط كننده مي گردد، و در هر يك از حالات بررسي شده مخلوط كننده عملكرد متفاوتي دارد. در حالتي كه لزجت و چگالي دو سيال متفاوت باشد علاوه بر اينكه سيال ها تمايل كمتري به مخلوط شدن نشان مي دهند، مشاهده مي شود عدد استروهال تاثير كمتري بر تغيير شاخص اختلاط دارد بيشينه ي تغييرات شاخص اختلاط در حالت چگالي و لزجت متفاوت به ترتيب 54.01 و 51.15 درصد مي باشد در صورتي كه اين مقدار براي دو سيال يكسان به 577.94 درصد مي رسد.

In the present study, the mixing of two incompressible miscible fluids with different density and viscosity has been investigated in a two-dimensional microchannel equipped with an oscillating stirrer in different excitation frequencies. Although most studies in the field of fluid mixing have studied the mixer performance when the two fluids were absolutely identical, the mixing makes sense when two fluids have non-uniformity such as different temperature, concentration or properties. The aim of this study is to evaluate the effect of various properties of the fluids in mixer performance and mixing value. Simulation has been performed in Re=100 and Sc=10, between 0.1 and 1 Strouhal number by using element based finite volume method by means of commercial code CFX. Mixer performance has been evaluated in three different modes: mixing of two identical fluids, mixing of two fluids with different density and mixing of two fluids with different viscosity. The results show that, mixing of the fluids with different properties leads to change in mixer performance, and has unique performance in each case. In comparison with similar properties fluids, mixing of fluids with different viscosity and density show lesser tendency in mixing. It has been shown that variation of Strouhal number has lesser effect on mixing index changes. The ratio of maximum mixing index changes to base mixing index in the case of different density and viscosity is 54.01 and 51.15 percent, respectively, while the value is 577.94 percent for the mixing of similar fluids.