بررسي عددي تاثير پارامترهاي هندسي يك ميكروپمپ لزجتي بر دبي خروجي و توليد آنتروپي

Numerical Investigation of the Effects of Geometrical Parameters of a Viscous Micro-pump on the Flow Rate and Entropy Generation

ميكروپمپ هاي لزجتي به دليل طراحي و ساخت ساده و نيز كاربردهاي فراوان‌شان در زمينه هاي مختلف صنعتي و پزشكي مورد توجه محققان قرار گرفته اند. به همين دليل پژوهش هاي عددي و تجربي بسياري به اين سمت معطوف شده است. در همين راستا، در اين مقاله يك مطالعه عددي براي بررسي تاثير پارامترهاي هندسي يك ميكروپمپ لزجتي بر دبي خروجي و توليد آنتروپي صورت گرفته است. معادلات حاكم با استفاده از روش حجم محدود حل گرديده است. پژوهش حاضر براي سه پارامتر بي بعد هندسي ميكروپمپ يعني خارج از مركزي (?) و اندازه روتورها (S) و نيز فاصله آن‌ها از يكديگر (L) به‌ترتيب در محدوده 1/0 تا 9/0، 5/1 تا 5/3 و 85/0 تا 5/4 صورت گرفته است. نتايج حاصل از اين حل نشان مي دهد با افزايش ?، دبي خروجي از ميكروپمپ نيز افزايش پيدا مي كند. در بررسي تاثير تغييرات S بر دبي خروجي مشاهده گرديد در حالي كه قطر روتور بالادست ثابت در نظر گرفته شده است با كاهش قطر روتور پايين دست، دبي خروجي نيز به‌صورت نمايي كاهش مي يابد. با افزايش L، در ابتدا يك افزايش شديدي در دبي سپس با فاصله گرفتن روتورها از يكديگر، مقدار آن تقريبا ثابت مشاهده گرديد. در خصوص تحليل آنتروپي، با افزايش ?، نسبت RS نيز افزايش پيدا مي كند. همچنين تغييرات پيچيده تري براي RS با تغيير ديگر پارامترهاي هندسي مشاهده شد كه علت آن ايجاد الگوهاي جرياني نسبتا پيچيده در ميكروپمپ مي باشد. علاوه براين در اين مقاله براي دست‌يابي به بيشينه دبي خروجي در كمترين افت اصطكاكي ممكن، پارامترهاي هندسي بهينه استخراج شدند. در همين راستا مقادير 2L=، 5/0?=، 5/1 S_1= و 5/2 S_2= به عنوان پارامترهاي هندسي بهينه ميكروپمپ لزجتي معرفي و انتخاب گرديدند. در انتها قابل ذكر است كه از جمله نوآوري هاي اين مقاله مي توان به بررسي تاثير همزمان تغيير قطر روتورها بر دبي و توليد آنتروپي و همچنين استخراج پارامترهاي هندسي بهينه بر اساس تحليل آنتروپي اشاره نمود.

Viscous micro-pumps have attracted researchersʹ attention due to their simple design and fabrication and many applications in various industrial and medical fields. Therefore, a wide range of numerical and experimental studies has focused on this topic. In the present paper, a numerical study has been performed to investigate the effect of geometrical parameters of a viscous micro-pump on the flow rate and entropy generation. The governing equations have been solved using the finite volume method. The present research has been carried out for three geometrical parameters of micro-pump including eccentricity (?), sizes (S) of rotors and also their distance from each other (L) in the range of 0.1 to 0.9, 1.5 to 3.5 and 0.85 to 4.5, respectively. The results show that by increasing ?, the micro-pump flow rate also increases. On size variation effects, it is observed that decreasing the downstream rotor diameter while keeping constant the upstream rotor diameter, decreases the flow rate exponentially. By increasing L, a steep increase in flow rate is initially observed, which becomes almost constant when rotors are sufficiently far apart. With regard to entropy analysis, with increasing ?, the ratio of Rs also increases. However, more complex variations of RS are observed for other examined geometrical parameters due to the relatively complex micro-pump flow patterns. Also in this paper, for obtaining the maximum flow rate at the minimum frictional dissipation, optimal geometrical parameters are extracted. In this regard, the values of L=2, ?=0.5, S_1=1.5 and S_2=2.5 are selected as the optimum geometrical parameters of viscous micro-pump. Finally, it should be noted that the effect of simultaneous variations of the rotors diameters on the flow rate and entropy generation and, moreover, obtaining the optimal geometrical parameters based on the entropy analysis, are among the novelties of the present paper.