عنوان پایان‌نامه
مطالعه عددی تولید قطره در دستگاه های میکرو فلوئیدک
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3156;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72495
- تاریخ دفاع
- ۲۹ دی ۱۳۹۴
- دانشجو
- پوریا هادیخانی
- استاد راهنما
- اصغر افشاری
- چکیده
- در صنایع مختلف فرآیند تولید قطرات در دستگاه‌های میکروفلویدیک، بسیار مورد توجه است و این موضوع به تحقیقات گسترده تجربی و عددی در مورد تجهیزات تولید قطره توسط پژوهشگران، منجر شده است. در این مطالعه، هدف توسعه یک کد تحقیقاتی است تا در انتها بتوان جریان های چندفاز را مورد بررسی قرار داد و در نتیجه به شبیه سازی فرآیند تولید قطره در دستگاه های میکروفلویدیک پرداخت. در این کد تحقیقاتی از روش حجم محدود برای گسسته سازی مدل پنج معادله ای جریان دوفاز تراکم پذیر استفاده می شود. در روش حجم محدود، شارهای عددی با کمک روش HLLC محاسبه می-گردد و از آن جایی که روش مورد استفاده، دارای خاصیت پخشی است، از بهبود دهنده سطح مشترک THINC استفاده می گردد تا کیفیت تسخیر سطح مشترک افزایش یابد. همچنین با اعمال پیش شرط-سازی در معادلات حاکم، انتظار می رود کد تحقیقاتی در ماخ های پایین، به شبیه سازی هایی با دقت بیش تر منجر گردد. در راستای ارزیابی عملکرد روش عددی انتخابی، ابتدا چندین مساله مورد مطالعه قرار می گیرند. در اولین مساله مورد بررسی، به مساله شوک در لوله پرداخته می‌شود تا توانایی و دقت کد محاسباتی در شبیه سازی امواج شوک و انبساطی مشخص گردد. مساله های فروپاشی حباب گاز در آب و انفجار زیر آب، تست هایی مناسب برای سنجش روش عددی در نسبت چگالی های بالا و در حضور امواج شوک و انبساطی است. سپس با شبیه سازی تعادل استاتیکی قطره، نوسانات قطره بیضوی و جدایش قطره به واسطه گرانش، درستی مدل سازی کشش سطحی نشان داده می شود و در ادامه مدل-سازی تنش های برشی در مساله های صعود حباب و ناپایداری ریلی-تیلور ارزیابی می گردد. در مساله های صعود حباب و فروپاشی سد، تاثیر روش پیش شرط سازی در افزایش دقت شبیه سازی تبیین می شود. نتایج نشان می دهد که کد محاسباتی توسعه یافته یک ابزار قابل اعتماد و توسعه پذیر برای جریان های دوفاز می باشد. در پایان نیروهای موثر در جدایش قطره معرفی و چندین شبیه سازی انجام شده مربوط به فرآیند تولید قطره ارایه می شود. در این قسمت شبیه سازی های صورت گرفته در دو حالت صفحه ای و متقارن محوری ارائه می گردد و فیزیک حاکم بر شکل قطرات و اعداد بی بعد موثر در این فرآیند مورد بررسی قرار می گیرد. تاثیر نسبت ویسکوزیته دو فاز، سرعت های ورودی و خروجی و همچنین کشش سطحی، بر اندازه و شکل قطرات و همچنین ایجاد قطرات ماهواره ای، نشان داده می شود. کلمات کلیدی: تولید قطره، جریان دوفاز تراکم پذیر، پیش شرط سازی، میکروفلویدیکس
- Abstract
- In this research a computational multiphase flow solver is developed and used to study the droplet formation in microfluidic devices. A five equation compressible multiphase model that accounts for capillary and viscous effects is considered. HLLC Riemann solver is implemented for solving the discretized equations while THINC interface sharpening method is applied to reduce the excessive numerical diffusion at the interface. The solver is equipped with a preconditioning technique which adds the capability of studying low Mach number flows. Several one-dimensional and two-dimensional test problems including air-water shock tube, shock cavity interaction, underwater explosion, Rayleigh-Taylor instability, broken dam, and rising bubble are investigated to evaluate the performance and accuracy of this method. The effect of preconditioning method is assessed through rising bubble and broken dam problems. The results obtained for these problems are shown to compare well with available analytical, experimental and numerical observations. After validating the developed solver, several simulations of droplet formation in microfluidic devices in planar and axisymmetric configurations are conducted. The results are in good agreement with experimental data, qualitatively. The effects of several influential parameters on droplet formation in coflowing and flow-focusing devices are studied. Also, the solver employs a multi-block strategy to study flow-focusing configuration and for a better inlet boundary condition treatment. It is shown that viscosity ratio, inlet and outlet velocities and surface tension have significant effects on the droplet shape, size and satellite droplets. Overall, our numerical methodology is found to be an affordable and reliable methodology for simulation of microfluidic devices. Keywords: droplet formation, compressible multiphase flows, preconditioning, microfluidics
