اثر ميدان مغناطيسي بر حركت، تغيير شكل و زمان جدايش قطرات سيالات نيوتني و غيرنيوتني در ميكروكانال جريان متمركز

Effect of Magnetic Field on Motion, Deformation, and Separation Time of Newtonian and Non-Newtonian Droplets in a Flow‐Focusing Microchannel

در مطالعه‌ي حاضر، تأثير ميدان مغناطيسي خارجي بر فرآيند تشكيل قطرات با اندازه و فركانسي متفاوت و همچنين تأثير خواص غيرنيوتني بر مشخصات اين قطرات، در يك ميكروكانال جريان متمركز به روش عددي بررسي شده و از طريق دو مدل غيرنيوتني ويسكوز كاريو و تواني، وابستگي تنش با نرخ كرنش، مورد ارزيابي گرفته است. همچنين، تحليل معادلات پيوستگي و مومنتوم جريان دوفازي، تراكم ناپذير و غيردائم، با استفاده از روش حجم محدود و يك الگوريتم عددي بر اساس تكنيك كسر حجمي انجام گرفته است تا تأثير عدد باند (0 تا 0/2) و انديس تواني (0/3، 0/6 و 1/3) بر روي فرآيند تشكيل‌شدن قطرات، اندازه و زمان جدايش آن‌ها مورد ارزيابي قرار گيرد. نتايج بدست آمده نشان مي‌دهند كه ميان سيال نيوتني و سيالات غيرنيوتني با مدل‌هاي مختلف، قطره‌ي كاريو در عدد باند 0/2 داراي بيشترين حجم، معادل حجم بي‌بعد 1/56 بوده و تأثير ميدان مغناطيسي بر فرآيند تشكيل و جدايش قطرات، بيش از تأثير معادله‌ي ساختاري (مدل ويسكوزيته) است. همچنين، با افزايش قدرت ميدان مغناطيسي، زمان جدايش قطرات بيشتر شده و قطراتي بزرگتر با فركانس توليدي كمتر، حاصل شده است.

In the present study, the effect of external magnetic field on the process of droplet formation with different sizes and frequencies in a flow-focusing micro-channel is numerically studied. Moreover, the influence of non-Newtonian properties on the droplet formation characteristics is investigated using two non-Newtonian Carreau and power-law models. To solve the continuity and momentum equations for unsteady, two-phase, and incompressible flow, the finite volume method is employed. A numerical algorithm based on the volume-of-fluid technique is used to determine the effect of Bond number (0 to 0.2) and Power-law indices (0.3, 0.6, and 1.3) on the droplet formation process along with their size and separation time. To validate the numerical solution, the formation of Newtonian fluid droplets at different values of magnetic field strength is compared with the results of other studies and very good agreement was observed. The results of the numerical solution show that the Carreau fluid droplet in the Bond number of 0.2 has the highest volume, which is equivalent to the dimensionless volume of 1.56. Also, the process of droplet formation is more affected by the magnetic field than by the non-Newtonian model. Besides, with developing the field strength, droplet separation time increases and as a result, larger droplets with lower frequency will be formed.