توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان دوفازی آب-روغن در میکروکانال با روش حجم سیال(VOF) در نرم افزار انسیس فلوئنت
میکروکانال ها:
پیشرفت های اخیر در تکنولوژی نیمه رساناها باعث افزایش توان مصرفی و در نتیجه گرمای تولیدی در تجهیزات میکروالکترونیکی شده است. براساس اعلام موسسه بین المللی نقشه راه برای نیمه رساناها، بیشینه توان یک پردازشگر تا سال ۲۰۲۲ به حدود۱۷۳ وات می رسد. افزایش دمای پردازشگرها سبب بوجود آمدن نگرانی هایی در مورد هزینه ساخت و عمر کارکرد آنها خواهد شد. با توجه به اهمیت مدیریت گرمای تولیدی در قطعات الکترونیکی، میکرو کانال ها به دلیل قابلیت بالا در جذب شار گرمای تولیدی در سطوح کوچک به طور فراوان در صنعت میکروالکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند. به جز صنایع الکترونیک در موارد متعدد دیگری نیز از قابلیت میکرو کانال ها استفاده می شود. که در ادامه به برخی از آنها اشاره شده است.
١- سیستم های میکروالکترومکانیکی، چاپگرهای جوهر افشان، شتاب سنج ها، ژیروسکوپ ها، سوئیچ های نوری 2- خنک کاری پردازشگرهای الکترونیکی،IC، CPU و…
٣- صنایع پزشکی،MRI ، …
4- مبدل های گرمایی
سیستم هایMEMS، سیستم های مکانیکی هستند که با نیروی محرکه الکتریکی کار می کنند. این سیستم ها از قطعات بسیار کوچکی در محدوده ۱ تا ۱۰۰ میکرومتر ساخته می شوند و اندازه خود سیستم بین۲۰ میکرومتر تا ۱ میلیمتر قرار می گیرد. این سیستم ها معمولاً شامل یک واحد مرکزی پردازش اطلاعات، میکروپردازشگر و چند قطعه در حال تبادل با محیط مانند میکروحسگرها می باشند.
میکروکانال ها به عنوان خنک کننده:
افزایش تولید گرما در قطعات منجر به ارائه هزاران طرح علمی برای روش های خنک کاری آنها شده است. یکی از روش هایی که برای خنک کاری قطعات الکترونیکی با تولید گرمای بالا پیشنهاد شده است استفاده از جریان اجباری در داخل میکرو کانال ها به عنوان گرماگیر می باشد. مطالعه بر روی میکرو کانال ها به عنوان مبدل های حرارتی برای نخستین بار در سال ۱۹۸۱ هنگامی که تار من و پیس مطلبی را در سودمند بودن استفاده از کانالها با قطر بسیار کوچک به منظور خنک کاری مدارهای الکتریکی مطرح کردند آغاز شد.
آنها بیان کردند که با کوچک شدن قطر کانال ضریب انتقال گرما افزایش مییابد. آنها توانایی افزایش۴۰ برابری ضریب انتقال گرما را به وسیله میکرو کانال ها در مقایسه با مبدل های معمولی گرما نشان دادند.
پس از انتشار این مطلب مطالعات وسیعی در مورد معتبر بودن روابط تعیین ضریب اصطکاک و عدد ناسلت برای کانال های معمولی، در میکرو کانال ها انجام شد. پس از گذشت بیش از سه دهه نتایج گوناگونی در بررسی هایی که با استفاده از آزمایش های تجربی، روش های عددی و حل های تئوری انجام شده، بدست آمده است.
مدلسازی با استفاده از معادلات متداول جریان سیال و انتقال گرما:
علت اصلی مدل سازی به روش محیط متخلخل ساده سازی هایی بود که در معادلات ناویر استوکس و انرژی و روند مدل سازی انتقال گرما بین جامد و سیال طی آن انجام می شد، که کدنویسی و حل آن با روش تفاضل محدود را راحت تر می کرد. اما با ورود نرم افزارهای جریان سیال مانند نرم افزار تجاریFluent و معادل های لایه باز آن که OpenFOAM یکی از نمونه های قدرتمند از میان آنهاست، به عرصه مدل سازي جریان سیال، مدل محیط متخلخل به دلیل دقت پایین تر نسبت به حل با این نرم افزارها از رونق افتاد.
طبقه بندی جریان در کانال ها:
تقسیم بندی های مختلفی برای میکرو کانال ها بر اساس ابعاد و قطر هیدرولیکی توسط افراد مختلف انجام شده است که در این قسمت به معرفی برخی از آنها پرداخته می شود. بر اساس یک تقسیم بندی که در سال ۲۰۰۰ توسط مهندال و همکاران انجام شد، کانال هایی در محدوده یک تا ۱۰۰ میکرومتر به عنوان میکروکانال، ۱۰۰ میکرومتر تا ۱ میلیمتر به عنوان میزوکانال، ۱تا۶ میلیمتر به عنوان مجرای تنگ و بیش از ۶ میلیمتر به عنوان مجرای معمولی دسته بندی شده اند.
جریان پیوسته به جریانی گفته می شود که اثرات ترقیق در آن دیده نمی شود و معادلات ناویر استوکس در آن معتبر می باشد. در جریان لغزشی اثرات ترقيق به وسیله تئوری پیوستگی اصلاح شده بر اساس لغزش دیواره مدل می شود.
بنابراین همچنان می توان از معادلات ناویر استوکس برای بررسی این نوع جریان استفاده کرد. جریان گذرا نوعی از جریان است که بین جریان لغزشی و جریان آزاد مولکولی قرار می گیرد و برای بررسی آن از روش های آماری و معادله بولتزمن استفاده می شود.
رژیم جریان گازی در میکروکانال ها:
معمولا رژیم جریان گازی در ماکروکانالها براساس دو خاصیت لزجت و تراکم پذیری با استفاده از دو عدد بیبعد رینولدز و ماخ بررسی می شود. برای اعداد رینولدز پایین(کمتر از ۲۰۰۰) جریان آرام است و برای رینولدزهای بالاتر جریان آشفته میشود. برای 1>Ma جریان مادون صوت و برای 1 <Ma جریان مافوق صوت است. معمولاً برای جریان مادون صوت با 0.3<Ma اثرات تراکم پذیری در نظر گرفته می شود.
مکانیزم های تأثیرگذار بر انتقال گرما درون میکروکانال ها:
انتقال گرما در کانال های بزرگ به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته اند و نتایج آن به صورت روابط قابل قبولی ارائه شده است. به عنوان مثال برای جریان آرام توسعه یافته مقدار ناسلت ثابت می باشد. برای لوله ها با مقطع دایره ای 3.66= Nu و 4.36=Nu به ترتیب برای شرایط دمای ثابت دیواره ها و شار گرمایی ثابت است. بررسی های تجربی انجام شده برای کانال های طولانی به طوری که بتوان از اثرات ورودی صرف نظر کرد نشان میدهد که مقدار ناسلت متوسط بر اساس اختلاف دمای متوسط لگاریتمی بین دیواره های کانال و سیال تغییر می کند این نتایج با در نظر گرفتن فرضیات زیر بدست آمده است:
۱- جریان پایا و کاملا توسعه یافته۲- عدم تغییر خواص ترمودینامیکی سیال با دما 3- فرض رفتار سیال به عنوان محیط پیوسته۴- جریان تراکم ناپذیر۵- شرایط مرزی ساده (دمای سطح ثابت یا شار گرمایی ثابت روی دیواره ها) ۶- نادیده گرفتن گرمای تولیدی بر اثر تلفات لزجت، 7-قابل صرف نظر بودن اثرات زبری سطح (برای جریان آرام) در میکرو کانال ها بر اساس اینکه سیال گاز یا مایع باشد بسیاری از فرضیات بالا معتبر نیست. بنابراین اثرات ابعاد باید در نظر گرفته شود. کوچک بودن اندازه و قابلیت انتقال گرمای بالا باعث ایجاد تغییرات دمایی زیاد در میکرو کانال ها می شود و اثرات ورودی کانال تأثير قابل توجهی بر انتقال گرما در کل کانال خواهد داشت. بنابراین فرضیات۱و۲ معتبر نخواهد بود و اثرات ورودی و تغییر خواص سیال با توجه به قطر هیدرولیکی قابل صرف نظر نخواهد بود و منجر به اثرات ترقيق خواهد شد.
جریان لغزشی و پرش دمایی در دیواره ها در صورت وجود اثرات ترقیق باید مد نظر قرار گیرد و نباید سیال به عنوان محیط پیوسته مدل شود و از مدل میزوسکوپیک یا میکروسکوپیک استفاده شود. افت فشار در میکروکانال می تواند مقدار بزرگی باشد و اثرات تراکم پذیری گاز ممکن است نقش مهمی را در انتقال گرما ایفا کند.
روابط موجود منتشر شده در مراجع علمی برای محاسبه ناسلت داخل کانال برای شرایط مرزی دمای ثابت دیواره یا شار ثابت دیواره می باشند. بر خلاف کانال های بزرگ که انتقال گرمای هدایت در دیواره و سیال قابل صرف نظر است در میکروکانال ها ممکن است الگوی جریان در مرزها را تغییر دهد. به این منظور اثرات انتقال گرمای همزمان جابجایی و هدایت) باید در نظر گرفته شود.
با کاهش ابعاد، نسبت سطح به حجم در میکرو کانال ها افزایش می یابد و در نتیجه تمام پدیده ها در ناحیه محدود شده بین سطح و سیال بر یکدیگر اثر متقابل می گذارند. اثرات گرمای لزجی و زبری سطح باید در نظر گرفته شود. علاوه بر این برای جریان سیال ایجاد شده توسط محلول های آبی اثرات لایهی الکتریکی دوتایی که به علت تقابل بین بارهای الکترواستاتیک روی سطح جامد و یون های موجود در محلول آبی به وجود می آید، ممکن است بر روی انتقال گرما تأثیر بگذارد و باید مد نظر قرار گیرد.
لایه الکتریکی دوتایی:
اکثر سطوح جامد به علت وجود ناپیوستگی ها در سطح و تله های بار سطحی دارای بار الکترواستاتیک میباشند. زمانی که یک سیال شامل تعداد کمی پون درون کانال بر اثر اختلاف فشار هیدرودینامیکی جاری شود باز سطح جامد شروع به جذب یون های با بار مخالف می کند. ترتیب قرارگیری بارها روی سطح جامد و نحوه بالانس بارها درون مایع لايه الكترونی دوتایی نامیده می شود. یون های مخالف با قدرت به سطح جامد می چسبند و لایه فشرده ای را روی سطح به وجود می آورند که حدود 0.5 نانومتر ضخامت دارد و بدون حرکت است. خارج از این لایه یون ها کمتر تحت تأثیر میدان پتانسیل قرار می گیرند و قابلیت حرکت بیشتری دارند. اثر EDL معمولاً در میکروکانالها قابل صرف نظر است. هرچند در برخی از موارد با توجه به ابعاد کانال به راحتی نمیتوان از اثرات آن بر جریان چشم پوشی کرد.
توزیع غیریکنواخت جریان دوفاز سیال به عنوان یکی از اصلی ترین دلایل کاهش عملکرد در سیستم های مختلف انرژی و فرآیندی می باشد که در میکرو تجهیزات از اهمیت بیشتری برخوردار است. لذا تاکنون مطالعه توزیع جریان دوفاز در میکرو کانال ها موضوع تحقیق پژوهش های زیادی بوده است.
توزیع جریان دوفاز از یک توزیع کننده به چندین کانال موازی، سال هاست که مورد توجه محققان قرار گرفته است زیرا در طیف گسترده ای از تجهیزات صنعتی از قبیل راکتورها، میکسرها، مبدل های حرارتی و غیره بطور ویژه مورد استفاده است. کانال های موازی در این دستگاه ها برای تسریع انتقال حرارت یا انتقال جرم بکار گرفته می شود، درنتیجه برای بهبود انتقال و پخش سیال کاربرد دارند. با کاهش اندازه سیستم به مقیاس میکرو (1000 میکرون>dh> 1 میکرون)، نسبت سطح تماس دیواره به حجم سیال افزایش یافته که می تواند روند انتقال حرارت را تشدید کند. هنگامی که یک جریان دوفاز از کانال های موازی عبور می کند، همیشه توزیع نابرابر در شاخه کانال ها اتفاق می افتد. توزیع غیریکنواخت جریان دوفاز به شدت بر کارآیی تجهیزات پایین دستی تأثیر میگذارد که باعث کاهش عملکرد حرارتی و دینامیک سیال و در بسیاری از موارد خرابی دستگاه می شود. این بدین معناست که مطالعه ویژگی های توزیع فاز در کانال های موازی که در آن مخلوط دوفازی در ورودی توزیع کننده قرار دارد، بسیار مهم است.
کاربرد جریان دوفاز در میکرو وسایل:
ابعاد کوچک و همچنین نسبت س طح به حجم بالا در میکرو مبدل ها (قطر هیدرولیک کمتر از 1 میلیمتر) سبب میشود تا این نوع مبدل ها با وجود حجم و وزن کم دارای نرخ انتقال حرارت بالایی باشند. از اینرو این مبدل ها، انتخاب اصلی در کاربردهایی هستند که نیاز به سرعت انتقال حرارت بالا در حجم محدود است. میکرومبدل ها در فضاهای بسیار کوچک مثل صنایع الکترونیک، صنایع فضایی، پمپ های حرارتی، تهویه مطبوع، فن های بازیافت حرارتی و حتی در اتومبیل ها کاربرد دارند. با این وجود نقطه ضعف آنها افت فشار بالاتر است. جریان های دوفازی درون میکرومبدلها در صنایع مختلفی همچون مبدل های حرارتی، بویلرها، کندانسورها و سیستم های تهویه مطبوع کاربرد دارد. امروزه با روند کوچک شدن بسیاری از دستگاه ها مانند میکرو راکتور، میکسر و مبدل های حرارتی، بررسی توزیع فاز درون میکرو کانال ها نیز توجه بیشتری را به خود جلب نموده است. تقسیم بندی جریان دوفاز به شدت بر اثربخشی تجهیزات پایین دست تاثیر می گذارد.
الگوهای جریان دوفازی:
مخلوط های دوفازی گاز مایع قادرند الگوهای جریان متنوعی را ایجاد نمایند. در اغلب مواقع با الگوهای جریان مشخصی روبرو هستیم. الگوهای جریان از اهمیت زیادی برخوردار هستند. برای درک بهتر این موضوع، می توان الگوهای جریان تک فازی را که شامل جریان آرام، گذرا و در هم می باشد، در نظر گرفت. به عنوان مثال، وقتی الگوی جریان از آرام به درهم تغییر می یابد، ماهیت جریان نیز به طور کامل تغییر می یابد و تمامی پدیده های موثر در فرآیندهای انتقال نیز تغییر می کند. شرایط در جریان دوفازی نیز تا حدود زیادی مشابه است، با این تفاوت که الگوهای جریان بیشتری وجود دارند. رفتار یک مخلوط گاز – مایع به طرز چشمگیری تابع الگوهای جریان است و در قالب روابط سطح مشترک بیان می شود که برای حل معادلات بقا در جریان دوفازی مورد نیاز می باشد. مهمترین علامت مشخصه جریان دوفازی وجود فصل مشترک بین فازهای گاز و مایع می باشد.
این فصل مشترک دارای اشکال مختلف است. امکان پیدایش یک دامنه نامحدود از فصل مشترک های مختلف بین دوفاز وجود دارد. اما عموماً تاثیر کشش سطحی بین دوفاز منجر به پیدایش فصل مشترک های مختلف به شکل منحنی شده که درنهایت تمامی آنها تبدیل به اشکال کروی می شوند. در حالت کلی با طبقه بندی انواع حالات و توزیع فصل مشترک بین دوفاز گاز و مایع که در اصطلاح الگوهای جریان یا رفتارهای جریان نامیده میشوند، می توان به توضیح و تفسیر این نوع جریان ها پرداخت. باید توجه داشت که این رژیم های جریان معمولا بوسیله موقعیت و هندسی جریان، جهت جریان، خواص فیزیکی و شدت جریان هریک از فازها و شار حرارتی وارد بر دیواره جریان، تحت تاثیر قرار می گیرند
علیرغم کوشش های بسیار زیادی که برای طبقه بندی انواع رژیم های جریان دوفازی به عمل آمده است، تمامی این روش ها به شدت کیفی و اغلب مطابق نقطه نظرات شخصی محققین می باشند، چنانچه تاکنون رژیم های جریان مختلفی تعیین گردیده و دامنه گسترده ای از اسامی برای این منظور مورد استفاده قرار گرفته است. تعاریفی که برای انواع رژیم های جریان در این قسمت ارائه خواهند شد، همگی متناسب با اظهار نظرات عمومی قابل قبول برای هر نوع جریان انتخاب شده اند.
انواع الگوهای جریان در لوله های افقی:
در لوله های افقی برای جریان های دوفازی، هفت نوع الگوی توزیع وجود دارد. این الگوهای جریان در شکل زیر ارائه شده اند، برای هر رژیم جریان، مقادير تجربی سرعت هر فاز برای مخلوطی از گازهایی با چگالی نزدیک به چگالی هوا و مایعاتی با لزجت کمتر از یکصد سانتی پوز داده شده است.
جریان حبابی:
در خطوط لوله افقی در مواردی که نرخ حجمی گاز نسبتا کم و نرخ حجمی مایع نسبتا زیاد باشد جریان حبابی به صورت حباب های کوچک گاز تحت تأثیر اختلاف چگالی در قسمت فوقانی لوله ظاهر می شود. با افزایش نرخ حجمی فاز گاز اندازه حباب ها به تدریج افزایش می یابد. سرعت ظاهری مایع در این رژیم جریان در محدوده 1.5 تا 4.5 متر بر ثانیه و و سرعت ظاهری گاز بین0.3 تا 3 متر بر ثانیه می باشد.
جریان پلاگ (قالبی) :
با افزایش س رعت فاز گاز در جریان حبابی، تعداد حباب های فاز گاز افزایش می یابد. به طوریکه از برخورد و به هم پیوستن آنها، حباب های بزرگ توپی شکل، نزدیک به جداره بالایی لوله، تشکیل می شوند. این نوع جریان، جریان پلاگ (توپی یا قالبی) نامیده می شود.
جریان لایه لایه لایه(لایه ای یا چینه ای):
در این نوع الگوی توزیع، فازهای مایع و گاز کاملا از هم جدا بوده و فاز گاز که عموماً دارای سرعت بیشتری نسبت به فاز مایع می باشد، در قسمت فوقانی و مایع در قسمت پائین و درون خط لوله حرکت می کنند. همچنین تداخل بین دوفاز به ندرت صورت گرفته و فصل مشترک بین آنها نسبتا منظم و صاف می باشد.
جریان موجی :
در جریان لایه لایه اگر سرعت گاز مجددا افزایش یابد، بين دوفاز گاز و مایع، تنشی ایجاد خواهد شد که خود باعث پیدایش امواج در فصل مشترک می شود که در امتداد جریان، حرکت می کنند.
جریان اسلاگ (لخته ای):
در خطوط لوله افقی و مواردیکه دبی جریان مایع زیاد باشد، افزایش سرعت گاز منجر به افزایش دامنه موج های سطحی مایع در فصل مشترک گاز و مایع می شود که ضمن آن، موج ها به جداره فوقانی لوله برخورد کرده و لخته های مایع تشکیل می شود. لخته های مایع در چنین حالتی می توانند باعث لرزش های شدید و در برخی موارد، ایجاد خطر درون تجهیزات واقع در مسیر خط لوله و مراکز جمع آوری ش وند. از ویژگی های این نوع رژیم جریان می توان از نوسانات منظم در فشار و مقدار مایع تجمع یافته نام برد که معیار مناسب برای تشخیص این نوع رژیم جریان می باشد.
جریان حلقوی :
در این نوع جریان، دوفاز گاز و مایع بصورت دو استوانه متداخل(مایع روی جداره داخلی لوله و گاز در مرکز لوله) درون لوله، جاری می شوند. این نوع جریان وقتی شکل میگیرد که سرعت ظاهری گاز بیش از ۶ متر بر ثانیه باشد. بررسی دقیق این الگوی جریان به جهت تعیین میزان خوردگی سایشی، افزایش بازدهی خط انتقال، پیش بینی مقدار مایع تجمع یافته، تعیین ضخامت مایع روی دیواره لوله و محاسبه افت فشار سیال، جهت طراحی خطوط لوله انتقال و تجهیزات انتهایی آن، از اهمیت خاصی برخوردار است.
تعریف میکروکانال:
میکرو کانال بر اساس تعریف متداولی که توسط کندلیکار ارائه شده است، به کانالی گفته می شود که قطر هیدرولیکی آن بین۱۰ تا ۲۰۰ میکرومتر باشد. قطر هیدرولیک، طول مشخصه ای است که در کانال مطرح میشود.
کندلیکار این طبقه بندی را بر اساس قطر هیدرولیکی به صورت زیر ارائه کرده است .
– کانال های معمولی با قطر بزرگتر از 3 میلیمتر
-مینی کانال ها با قطر بزرگ تر از 0.2 میلیمتر و کوچکتر از 0.3 میلیمتر.
– میکرو کانال ها با قطر بزرگتر از 10 میکرون و کوچک تر از 200 میکرون.
تعریف جامع دیگری برای میکرو کانال ها به صورت زیر ارائه شده است :
به کانالی که حداقل یکی از ابعاد آن در محدوده ۱۰ تا ۲۰۰ میکرومتر باشد، میکروکانال گویند. در تعریف اخیر، کانال هایی را که از قراردادن دو صفحه با ابعاد معمولی در فاصله ی چند میکرومتری از یکدیگر تشکیل می شوند را میکرو کانال به حساب می آورد. در حالی که کندلیکار ممکن است این کانال را کانالی معمولی به حساب آورد. حقیقتا در این کانال، ابعاد و دیواره ها روی رفتار فیزیکی سیال تاثیر می گذارد به طوری که رفتار پدیده های سیالاتی در کانال هایی با شرایط هندسی مذکور کاملا متفاوت از رفتار آنها در کانال های معمولی با تعریف کندلیکار است. ریزسازی تجهیزات تا حدود ابعاد میکرومتر منجر به افزایش قابل توجه نسبت سطح به حجم می شود.
بین جریان دو فاز در میکرو کانال ها با جریان دو فاز در ابعاد معمولی تفاوت هایی وجود دارد. مهم ترین تفاوت جریان در کانال هایی با ابعاد میکرو نسبت به کانال های معمولی این است که در میکرو کانال ها، جریان آرام می باشد. بنابر این، در میکرو کانال ها نیروی موئینگی (تنش سطحی) دارای اهمیت می شود درصورتیکه جهت کانال نسبت به قائم اهمیت چندانی ندارد.
انواع میکرو کانال ها:
در وسیله ها و سیستم های الکترومکانیکی، از میکرو کانال ها با سطح مقطع ها و اندازه های متفاوت استفاده می شود. نظر به کاربرد وسیع این میکرو کانال ها تعداد زیادی از شرکت های صنعتی، فرآیندهای اختصاصی برای ساختن چنین میکرو کانال هایی را توسعه داده و این فن آوری به شدت در حال رشد است. ساختار این میکرو کانال ها ممکن است صفحه اییا حالت سه بعدی داشته باشد. میکرو کانال ها به طور وسیع به دو دسته ی میکرو کانال با سطح مقطع دایره ای و میکرو کانال با سطح مقطع غیر دایره ای تقسیم می شوند. در طیف میکرو کانال هایی با سطح مقطع غیر دایره ای، میکرو کانال های با مقطع مستطیلی و ذوزنقه ای به طور عمده استفاده می شود. در این تحقیق به شبیه سازی میکرو کانال هایی با سطح مقطع غیردایرهای پرداخته شده است. در ساخت میکرو کانال ها دو روش رایج وجود دارد که شامل حک کردن کانال ها بر روی بلور و برش دقیق می باشد.
نمونه های کاربردی میکرو کانال در صنعت:
استفاده از ابزارهای میکروسیالی در زمینه های پزشکی و صنعتی کاربرد فراوانی دارد. میکروسیستم ها در صنایع، وسایل پزشکی و دستگاه های متفاوتی نظیر سرمایش قطعات الکترونیکی، طراحی مبدل های حرارتی میکرو، دستگاه های کامپیوتری پیشرفته، سلول های سوختی، سرمایش و روان کاری سیستم های رباتیک، سیستم های میکرو الکترومکانیکی، میکرو رآکتورها، تلفن های قابل حمل در زمینه ارتباطات سیار، تکنولوژی های اطلاعاتی و غیره کاربردهای گسترده ای دارند. از طرف دیگر از این سیستم ها برای تجزیه و تحلیل شیمیایی و بیولوژیکی استفاده می شود. مزیت اولیه در این نوع کاربردها این است که به خوبی با اندازه ساختار بیولوژیکی سازگار هستند و می توانند مواد بیولوژیکی نظیر پروتئین ها، دی ان ای، انواع سلول ها مانند سلول های اولیه جنینی، نمونه های شیمیایی و آنالیت ها را منتقل و شناسایی کنند. علاوه بر این میکرو مجراها می توانند، زمینه عملیات چندگانه مربوط به تجزیه و تحلیل شیمیایی را روییک سطح کوچک یا تراشه مهیا کنند. به چنین کاربردهایی اصطلاحا کارهای آزمایشگاهی روی تراشه ها گویند. برای مثال در آزمایشگاه های خون، نمونه موردنظر روی یک تراشه قرار داده می شود. سپس خون به وسیلهی میکرو مجراها به قسمتهای مختلفی نظیر قسمت پردازش اطلاعات، منتقل می شود.
کاربرد میکرو کانال جهت پاکسازی و تصفیه خون:
محققان مؤسسه ی فناوری ماساچوست نمونه ی اولیه ای از دستگاه ریز جریانی را طراحی کرده اند که قادر به پاکسازی و تصفیه خون از آلودگی های باکتریایی است. این دستگاه کوچک شامل یک ریز تراشه پلیمری با شبکه ای از میکرو کانال هاست. جریان خون آلوده به باکتری از طریق یک کانال منفرد وارد دستگاه می شود و در این مرحله فرآیند حاشیه گزینی باعث می شود که میکروب ها، لکوسیت ها و پلاکت ها به سمت کانال های فرعی هدایت شوند و گلبول قرمز در کانال اصلی باقی بماند. در نهایت گلبول قرمز خالص از کانال اصلی به جریان خون باز می گردد. همچنین محققان موفق به ارائدی روشی برای جداسازی سلول های سرطانی از سلولهای سالم شدند. در این روش جریان عبوری از میکرو کانال با لیزر تصویر برداری می شود.
کاربرد میکرو کانال در طراحی پیل خورشیدی با قابلیت خودترمیم شوندگی:
پیل های خورشیدی آلی بعد از مدتی کارکردن، کارایی خود را از دست می دهند. محققان موفق به ساخت پیل خورشیدی حاوی میکرو کانال شدند که با ارسال مولکول های آلی و جایگزینی با مولکول های آسیب دیده، دوام و کارایی بالاتری دارند. رگ ها و کانال های موجود در بدن انسان و بدنه ی گیاهان در صورت آسیب دیدن می تواند موادغذایی را با ایجاد شاخه های فرعی به محل موردنظر برساند. این مکانیسم، الهام دهنده ایده ای برای ساخت پیل های خودترمیم شونده بوده است.
کاربرد میکرو کانال در کروماتوگرافی:
پرکاربردترین شیوه جداسازی مواد تجزیه ای، کروماتوگرافی است که در تمام شاخه های علوم کاربردهایی دارد. کروماتوگرافی گروه های گوناگون و مهمی از روش های جداسازی مواد را شامل می شود که می توان با این روش اجزای تشکیل دهنده ی مشابه در مخلوطهای کمپلکس را جدا و شناسایی کرد. در کروماتوگرافی دو فاز ثابت و فاز متحرک وجود دارد، فاز ثابت در واقع اجزای درون لوله یا شبکه جداسازی را تشکیل می دهند و فاز متحرک مربوط به ماده ای است که می خواهد مورد تجزیه و تخليص قرار گیرد. اجزای مختلف این ترکیب با سرعت های مختلفی حرکت می کنند و همین امر باعث جداسازی این ذرات می شود. جداسازی بر اساس تفکیک دیفرانسیلی بین فاز متحرک و ثابت انجام می شود. تفاوت های نامحسوس در مقدار قسمت های یک ترکیب در فاز ثابت باعث جدایی اجرا می شود
کاربرد میکرو کانال در اسپکتروسکوپی جرمی:
طیف سنجی جرمی یکی از کاربردی ترین روش های آنالیز در شیمی است. با این روش می توان تمام عناصر موجود در جدول تناوبی را شناسایی کرد. اساسا هر اتم یا مولکولی که توانایی یونیزه شدن و انتقال به فاز گازی را داشته باشد می تواند توسط این روش مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد.
– دستگاه طیف سنج جرمی جهت آنالیز جرمی استفاده می شود. اساس کار این دستگاه جداسازی یون های متحرک از یکدیگر بر اساس نسبت جرم به بار است. منبع يون، تجزیه گر جرمی و آشکارسازیونی اجزای اصلی تشکیل دهنده ی این دستگاه می باشند. خروجی منبع يون، جریانی از یون های گازی است که به درون تجزیه گر جرمی می روند. تجزیه گر جرمی مسئول جداسازی یون هاست. در آشکارسازیونی باریکه هر یک از یون های جدا شده توسط تجزیه گر جرمی به یک علامت الکتریکی تبدیل می شود. در نهایت داده ها پردازش شده و در حافظه یک کامپیوتر ذخیره می شوند و نمایش داده می شوند. طراحی مناسب میکرو کانال در دستگاه طیفسنج جرمی اهمیت قابل ملاحظه ای دارد، زیرا مقدار نمونه و چگونگی وارد شدن آن به دستگاه در دقت و کارایی دستگاه موثر است.
روش حجم سیال(VOF)
روش حجم سیال(VOF) یا کسر حجمی روشی کارآمد برای حل جریان های گذرای دو بعدی است که قابلیت شبیه سازی مرزهای آزاد و محاسبات تک فازی و همچنین دوفازی را دارد. این روش بر مبنای مفهوم کسر حجمی (fractional volume) است که انعطاف پذیری بیشتری نسبت به روشهای دیگر در شبیه سازی مرزهای آزاد دارد. در محاسبات صورت گرفته شده سیال به صورت تراكم ناپذیر فرض گردیده و نیروهای کشش سطحی با چسبندگی دیواره نیز لحاظ گردیده است.
در دینامیک سیالات هر دو مختصات اولری و لاگرانژی به طور گسترده استفاده می شود و هر دیدگاه مزایای و معایب خاص خود را دارد و بسته به مشخصات مسأله انتخاب می شود.
سه مسأله ای که در حل عددی مرزهای آزاد با آنها روبرو می شویم عبارتند از:
١- گسسته سازی
۲- تغییرات جریان بازمان
3-چگونگی اعمال شرایط مرزی نمایش گسسته لاگرانژی برای یک سیال از لحاظ مفهومی ساده می باشد زیرا هر ناحیه از شبکه به المان هایی تقسیم می شود که در طول زمان با همان سیال مشخص می گردند.
از طرفی تعریف نیروهای سطحی و حجمی روی المانها نسبتا ساده بوده و پاسخ دینامیکی المانها پیچیدگی کمتری دارد. اما در یک نمایش اولری، شبکه ثابت مانده و محتوای المان های سیال حفظ نمی شوند. تفاوت هر دو روش در انتقال المان های سیال بعد از محاسبه ی سرعت های جدیدشان به موقعیت بعدی است. در حالت لاگرانژی این شبکه با سرعت المانی سیال حرکت می کند در حالی که در محاسبه اولری یا اولرين – لاگرانژین لازم است که جریان سیال در شبکه محاسبه گردد. این جریان، با محاسبه دبی جا به جایی، نیاز به متوسطگیری از خواص جریان در تمام المان هایی است که در یک زمان مشخص در سلول شبکه ی داده شده، قرار می گیرند. بزرگ ترین عیب روش های اولری نیز در همین فرایند متوسط گیری است که در تقریب زنی دبی جا به جایی به وجود می آید. این متوسط گیری منجر به هموار سازی تمام متغیرها در کمیتهای جریان می شود و باعث به هم خوردگی ناپیوستگی سطوح مانند سطوح آزاد می شود. تنها راه غلبه بر این مشکل در مرز معرفی روشی است که در آن ناپیوستگی تشخیص داده شده و از میانگین گیری در طول آن اجتناب کند. گرچه بسیاری از روش ها برای همین منظور توسعه یافته اند، اما محدودیت های قابل توجهی دارند مقایسهی مزایا و معایب این روش ها منجر به استفاده از روش کسر حجمی (VOF) می شود.
مبنای روش VOF، کسر حجمی سیال برای دنبال کردن سطوح آزاد است. در این تکنیک، تابع F(x,y,z) به گونه ای تعریف می گردد که مقدار آن در هر نقطه ی اشغال شده از سیال یک و در نقاط دیگر صفر باشد. اگر مقدار تابع Fیک باشد، در آن صورت سلول به طور کامل حاوی سیال است و اگر صفر باشد سلول خالی از سیال بوده و سلولهای با مقادیر بین صفر و یک در بر گیرنده سطوح آزادند. علاوه بر آن که VOF سلول های در بر گیرندهی مرز را تعریف می کند. تابع F می تواند مشخص کند که سیال در یک سلول به چه صورت است. جهت عمود به مرز به سمتی قرار می گیرد که مقدار F بیشترین تغییرات را دارد به دلیل آن که Fیک تابع پله است محاسبه مشتقات آن از طریق خاصی صورت گیرد که در ادامه توضیح داده خواهد شد. زمانی که F محاسبه شد از مشتقات آن برای مشخص کردن بردار نرمال بر مرز استفاده می شود.
شرح پروژه:
در این پروژه جریان دوفازی آب-روغن در میکروکانال به کمک دینامیک سیالات محاسباتی مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور شبیه سازی عددی از روش حجم سیال (VOF) توسط نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS FLUENT) بکار گرفته شده است.
هندسه مسئله:
هندسه میکروکانال در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر (ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است.
شبکه و مش:
شبکه و مش بندی در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.
شبیه سازی:
حل مسئله و شبیه سازی در نرم افزار فلوئنت (FLUENT) انجام شده است.
به منظور حل مسئله از حلگر فشار مبنا (Pressure based) در حالت Transient استفاده شده است.
برای مدل دوفازی روش حجم سیال(VOF) بکارگرفته شده است.
مدل آشفتگی دومعادله ای SST k-ω انتخاب شده است.
برای ارتباط فشار-سرعت از الگوریتم سیمپل(SIMPLE) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
