بررسي تجربي پديده شكست قطرات در دستگاه‌هاي ريز سيالات چرخان

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مكانيك

كارشناسي ارشد

قطرات ميكروفلوئيدي در دنياي سيالات از جمله عناوين جالب و بحث برانگيز هستند كه در طول دهه‌هاي گذشته با الهام از پديده‌هاي طبيعت مورد توجه پژوهشگران، محققين و صاحبان صنايع قرار گرفته‌اند. ميكروسيالات مبتني بر قطره نقش مهمي در كاربردهاي متعددي مانند راكتورهاي ميكروشيميايي، دارورساني، كپسوله‌سازي مواد زيستي، توليد امولسيون و غيره ايفا مي‌كند. در پديده شكست قطره يك قطره مادر به دو قطره جديد تبديل مي‌شود و تا زماني كه تنش و كرنش وارد بر قطره از حد بحراني تجاوز نكند، ساكن و بدون تغيير باقي مي‌ماند. در واقع در شكست قطره غلبه نيروهاي اينرسي به نيروهاي لزجت رخ مي‌دهد. معمولا در پژوهش‌هاي تحت عنوان شكست قطره چهار پارامتر بي بعد در نظر گرفته مي‌شود كه البته مهمترين و پركاربردترين آن‌ها دو عدد بي بعد مويينگي و وبر هستند. از ديگر اعداد بي بعد مهم در اين زمينه مي‌توان به اعداد پكلت و بوند اشاره كرد. در اين تحقيق، قطرات با استفاده از نيروي گريز از مركز ناشي از چرخش موتور و تغيير در هندسه ميكروكانال شكسته خواهند شد. با توجه به سرعت چرخش موتور، مكانيزم آزمايشي براي قرار دادن روي شفت موتور ساخته شد. در اين پژوهش ابتدا به كمك نرم‌افزارهاي طراحي طرح مخازن و ميكروكانال را رسم مي‌شود و سپس به كمك نرم‌افزار پاورميل از طرح ترسيم شده جي‌كد گرفته مي‌شود تا بتوان براي ساخت آن از دستگاه CNC بهره جست. بر روي تراشه يك ميكروكانال با استفاده از دستگاه CNC ساخته مي‌شود. در اينجا براي بستن ميكروكانال از دو لايه پلكسي با ضخامت‌هاي 2.8 و 2 ميلي متر و لايه مياني چسب دولايه به ضخامت 0.1 ميلي‌متر استفاده شده است. در نهايت تراشه سه لايه بر روي يك پلكسي به ابعاد 22 در 11 سانتي‌متر و ضخامت 4 ميلي‌متر كه در مركز هندسي آن به سوراخي به قطر 13 ميلي‌متر زده شده است، قرار مي‌گيرد. لازم به ذكر است تراشه شامل يك مخزن ورودي و دو مخزن خروجي براي تزريق و خارج كردن سيال است. همچنين براي اتصال مخازن به يكديگر از يك ميكروكانال كه شامل يك مسير اصلي و دو شاخه فرعي است، استفاده شده است. شايان ذكر است كه در اواسط مسير اصلي ميكروكانال يك مسير بيضي شكل جهت كمك به عدم اتصال قطرات تعبيه شده است. قطرات ابتدا به وسيله سرنگ درون مخزن ورودي قرار مي‌گيرند و سپس با استفاده از نيروي گريز از مركز اعمالي از طرف موتور در ميكروكانال حركت خواهند كرد تا نهايتا به مخازن خروجي برسند. آزمايش ها با روغن پارافين به عنوان مايع حامل (فاز پيوسته) و آب رنگ آميزي شده (سرخ رنگ) توسط رنگ‌هاي غذايي به عنوان قطرات (فاز پراكنده) انجام شد. سپس مشاهدات تجربي با استفاده از يك دوربين ميني واي فاي و يك لنز ثبت مي‌شود. موقعيت قراگيري دوربين و لنز بايستي بر روي محل انفاصل دو شاخه باشد تا بتواند وقايع رخ داده بر روي قطره را ثبت كند و تمامي اتصالات با پيچ و مهره و چسب حرارتي محكم شوند. با استفاده از اپلبكيشن‌هاي مخصوص فيلم‌هاي گرفته شده به عكس تبديل شده تا بتوان به محل و نحوه شكست قطره در ميكروكانال پي برد. علاوه بر اين، اثرات سرعت چرخش ديسك، فاصله نصب تراشه ميكروسيال اتصال تي شكل از مركز چرخش، زاويه نصب تراشه ميكروسيال اتصال تي شكل از مركز چرخش، هندسه‌هاي مختلف براي ميكروكانال (تغيير عمق و عرض ميكروكانال)، تقارن يا عدم تقارن ميكروكانال و زواياي مختلف بين شاخه‌هاي ميكروكانال بررسي مي‌شوند. مشخص شده است كه عدم تقارن قطرات دختر عمدتاً با افزايش فاصله و زاويه نصب تراشه و كاهش سرعت چرخش و حجم اوليه تحت تأثير قرار مي‌گيرد. همچنين مشخص شد كه با افزايش عمق و عرض در يك شاخه از ميكروكانال، قطره تمايل بيشتري براي ورود به آن شاخه خواهد داشت. زماني كه سرعت چرخش و حجم اوليه بيش از حد كاهش مي‌يابد و همچنين زماني كه فاصله از مركز چرخش و زاويه نصب تراشه و عرض يا عمق يكي از شاخه‌ها بيش از حد افزايش مي‌يابد، يك رژيم بدون شكست پديد مي‌آيد.

218859

تبديل انرژي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان