نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

مدل سازی CFD تشدید اختلاط در میکرومخلوط کننده ها با تحریک نانوذره‌های مغناطیسی تحت تاثیر میدان مغناطیسی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
صفورا جلیل زاده
ندا عظیمی
گروه مهندسی شیمی، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران
چکیده
برانگیختگی نانوذره ­های مغناطیسی تحت میدان مغناطیسی بیرونی یکی از راه ­های افزایش اختلاط در میکرومخلوط کننده ها است که با تحریک سیال و ایجاد درهمی در آن، باعث بهبود و افزایش اختلاط در آن­ ها می­ شود. هدف از این پژوهش، بررسی اثر میدان مغناطیسی بر اختلاط جریان آب و فروسیال در سه نوع میکرومخلوط کننده می باشد. سه نوع میکرومخلوط کننده Y، T و Oriented Y در نرم افزار گمبیت طراحی شد. پس از مش بندی و تعیین شرایط مرزی آن­ها، هندسه مورد نظر در نرم افزار فلوئنت فراخوانی شده و مدل­ سازی CFD جریان سیال انجام شده است. میدان مغناطیسی خارجی با قدرت برابر G2200 (mT 22/0) در قسمت میانی هر میکرومخلوط کننده اعمال شده است. از نتیجه­ های مدل سازی CFD، می توان نتیجه گرفت که با اعمال میدان مغناطیسی روی هر میکرومخلوط کننده، فروسیال تحت تأثیر دو نیروی هیدرودینامیک و مغناطیسی قرار گرفته که منجر به ایجاد جریان­ هایعرضی در کانال اختلاط شده و بنابراین، میزان اختلاط افزایش می یابد. مقایسه بازده اختلاط در سه نوع میکرومخلوط کننده نشان می دهد که بهترین اختلاط به ترتیب در مخلوط کننده Oriented Y به دلیل زاویه برخورد دو جریان ورودی، میکرومخلوط کنندهT  و سرانجام میکرومخلوط کننده Y  صورت گرفته است. مقایسه نتیجه ­های مدل سازی با داده ­های آزمایشگاهی موجود در یک مرجع معتبر،تطابق قابل پذیرشی بین آن ­ها را نشان داد.
کلیدواژه‌ها
مدل سازی CFD
میکرومخلوط کننده
اختلاط
میدان مغناطیسی

موضوعات

[1] کریمی؛ هجیر، سبزه میدانی؛ محمد مهدی، مطالعه عددی تأثیر عاملهای هندسی بر انتقال گرمای نانو سیال آب ـ Al2O3 در یک میکروکانال، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4) 35: 137 الی 150 (1395).  
[2] Ansari M.A, Kim K.Y., Anwar K., Kim S.M., A Novel Passive Micromixer Based on Unbalanced Splits and Collisions of Fluid Streams, J Micromechanics Microengineering, 20 (5):55007 (2010).
[3] Odedra A., Geyer K., Gustafsson T., Gilmour R., Seeberger P.H., Safe, Facile Radical-Based Reduction and Hydrosilylation Reactions in a Microreactor Using Tris (trimethylsilyl) Silane, Chem. Communicat., 0 (26):3025-3027 (2008).
[4] Rahimi M., Azimi N., Parsamogadam M.A.,Rahimi A., Masahy M.M., Mixing Performance of T, Y, and Oriented Y‑Micromixers with Spatially Arranged Outlet Channel: Evaluation with Villermaux/Dushman Test Reaction, Microsystem. Technol., 23 (8): 3117–3130 (2017).
[5] Hajiani P., Larachi F., Controlling Lateral Nanomixing and Velocity Profile of Dilute Ferrofluid Capillary Flows in Uniform Stationary, Oscillating and Rotating Magnetic Fields, Chem. Eng. J., 223: 454–466 (2013).
[6] Zhang Q., Li H., Zhu C., Fu T., Ma Y., Li H., Micro-Magnetofluidics of Ferrofluid Droplet Formation in a T-Junction, Colloid Surf A: Physicochem. Eng. Asp., 537: 572-579 (2018).
[7] Rashin M.N., Hemalatha J., Magnetic and Ultrasonic Studies on Stable Cobalt Ferrite Magnetic Nanofluid, Ultrasonics, 54 (3):834–840 (2014).
[8] Hejazian M., Nguyen N.T., Magnetofluidics for Manipulation of Convective Heat Transfer, Int. Commun. Heat Mass Transf., 81: 149–154 (2017).
[9] Owen D., Ballard M., Alexeev A., Hesketh P.J., Rapid Microfluidic Mixing via Rotating Magnetic Microbeads,  Sens. Act. A: Physical., 251: 84-91 (2016).
[10] Azimi N., Rahimi M., Magnetic Nanoparticles Stimulation to Enhance Liquid-Liquid Two-Phase Mass Transfer under Static and Rotating Magnetic Fields, J. Magn. Magn. Mater., 422: 188–196 (2017).
[11] Hajiani  P., Larachi F., Reducing Taylor Dispersion in Capillary Laminar Flows Using Magnetically Excited Nanoparticles: Nanomixing Mechanism for Micro/Nanoscale Applications, Chem. Eng. J., 203: 492–498 (2012).
[12] Yang, R.J. Hou H.H.,Wang Y.N., Fu L.M., Micro-Magnetofluidics in Microfluidic Systems: A Review, Sens. Act. B: Chemical., 224: 1-15 (2016).
[13] Wei Z.H., Lee C.P., Magnetic Fluid Micromixer with Tapered Magnets, J. Appl. Phys., 105: 07B523 (2009).
[14] Wang R.J., Lin J.Z., Experimental Research on Mixing Efficiency of Magnetic Micromixer, Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, China, 18-21 (2006).
[15] Oh D.W., Jin J.S., Choi J.H., Kim H.Y., Lee J.S., A Microfluidic Chaotic Mixer Using Ferrofluid, J Micromechanics Microengineering, 17: 2077–2083 (2007).
[16] Tsai T.H.,.Liou D.S., Kuo L.S., Chen P.H., Rapid Mixing between Ferro-Nanofluid and Water in a Semi-Active Y-Type Micromixer, Sen. Act. A, 153:267–273 (2009).
[17] Wen C.Y., Yeh C.P., Tsai C.H., Fu L.M., Rapid Magnetic Microfluidic Mixer Utilizing AC Electromagnetic Field, Electrophoresis, 30: 4179-4186 (2009).
[18] Lee S.H., Noort D.V., Lee J.Y., Zhang B.T., Park T.H., Effective Mixing in a Microfluidic Chip Using Magnetic Particles, Lab. Chip., 479: 479-482 (2009).
[19] Kitenbergs G., Erglis K., Perzynski R., Cebers A., Magnetic Particle Mixing with Magnetic Mcro-Convection for Microfluidics, J. Magn. Magn. Mater., 380: 227-230 (2015).
[20] Nouria D., Hesari A.Z., Passandideh-Fard M., Rapid Mixing in Micromixers Using Magnetic Field, Sens. Act. A, 255: 79-86 (2017).
[21] Wang Y., Zhe J., Chung B.T.F., Dutta P., A Rapid Magnetic Particle Driven Micromixer, Microfluid  Nanofluid, 4: 375–389 (2008).
[22] Azimi N., Rahimi M., Abdollahi N., Using Magnetically Excited Nanoparticles for Liquid–Liquid Two-Phase Mass Transfer Enhancement in a Y-Type Micromixer, Chem. Eng. Process, 97: 12-22 (2015).
[23] Zhu G.P.,.Nguyen N.T., Magnetofluidic Spreading in Microchannels, Microfluid Nanofluid, 13: 655-663 (2012).
[24] Fluent 6.3., User’s manual to FLUENT 6.3., Centrera Resource Park, 10 Cavendish Court, Lebanon, (2006) USA: Fluent Inc.
[25] Lindner J.,.Menzel K., Nirschl H., Simulation of Magnetic Suspensions for HGMS Using CFD, FEM and DEM Modeling, Comput. Chem. Eng., 35: 111–121 (2013).
[26] Seo H.S., Lee J.C., Hwang I.J., Kim Y.J., Flow Characteristics of Ferrofluid in a Microchannel with Patterned Blocks, Mater. Research Bull, 58: 10–14 (2014).