شبيه‌سازي عددي فرايند تشكيل قطره درون ميكروكانال تي- شكل دوبعدي با استفاده از روش تنظيم سطح

Numerical simulation of droplet formation in a T-shape microchannel using two-phase level-set method

در اين تحقيق يك شبيه‌سازي عددي بصورت دوبعدي با استفاده از روش تنظيم سطح دوفازي براي بررسي تاثير نرخ جريان ورودي فاز پيوسته در فرايند توليد ميكروقطره انجام شده است. تحليل فرايند تشكيل ميكروقطرات در يك ميكروكانال تي- شكل براي جريان دوفازي مايع/مايع امتزاج‌ناپذير صورت گرفته است. معادلات حاكم بر ميدان جريان توسط روش المان محدود گسسته‌سازي و حل شده‌اند. نتايج عددي بدست‌آمده با داده‌هاي تجربي موجود در ادبيات فن اعتباردهي شده است، كه نشان‌دهنده مطابقت قابل قبولي مي‌باشد. نتايج نشان مي‌دهد كه نرخ جريان ورودي فاز پيوسته تاثير بسزايي بر روي اندازه قطرات توليد شده دارد. مطالعات انجام‌شده حاكي از آن است كه نمودار فشار در نقطه تلاقي دو كانال عمودي و افقي تعداد قطرات تشكيل شده و مراحل سه‌گانه‌ي تشكيل قطره را نشان مي‌دهد. همچنين، بررسي‌ها بيان مي‌كنند كه اختلاف فشار جلو و پشت قطره و نيروي برشي ناشي از ويسكوزيته دو نيروي موثر در تشكيل قطره مي‌باشند كه در اين بين تاثير نيروي ناشي از اختلاف فشار دو سمت قطره بيشتر است. نهايتا اين نتيجه حاصل مي‌شود كه با افزايش مقدار دبي ورودي فاز پيوسته نيروي لازم جهت غلبه بر كشش سطحي نيز افزايش يافته و قطرات بيشتري با اندازه كوچكتر در مدت زمان كمتري توليد مي‌شوند.

In this study, a two-dimensional numerical simulation using the two-phase level set method has been carried out to investigate the influence of continuous phase entrance flow rate on the microdroplets generation process. Analysis of the breakup process of microdroplets in immiscible liquid/liquid two-phase flow in T-junction microchannel was predicted. Governing equations on the flow field have been discretized and solved using the finite element method. Obtained numerical results were validated by comparing the experimental data reported in the literature which show acceptable agreement. Results show that the continuous phase entrance flow rate has a major effect on the size of generated droplets. Studies have shown that the pressure diagram of the junction point can reflect the number of formed droplets and the triple stages of droplet formation. Also, examinations of the pressure and velocity gradient inside the main channel show that the pressure difference of the droplet’s tip and rear and shear force caused by viscosity dominates the droplet formation which the pressure difference between two sides of droplet is more effective. Finally, it could be concluded that by increasing the inlet flow rate of the continuous phase, the needed force for overcoming the surface tension increases and more droplets with small sizes are generated in a short time.