Вычислительное моделирование гидродинамики двух

Apr 13, 2024

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 9483 (2023) Цитировать эту статью

763 Доступа

1 Цитаты

Подробности о метриках

В текущей исследовательской работе было проанализировано поведение потока в процессе жидкостно-жидкостной экстракции (ЖЖЭ) в змеевидном микроканале. Моделирование проводилось с использованием 3D-модели, и результаты оказались согласующимися с экспериментальными данными. Также было исследовано влияние потока хлороформа и воды на модель потока. Данные показывают, что, когда скорости потоков водной и органической фаз низкие и одинаковые, наблюдается снарядный режим течения. Однако по мере увеличения общего расхода снарядное течение трансформируется в параллельное пробковое течение или капельное течение. Увеличение потоков воды при сохранении постоянного расхода органической фазы приводит к переходу от снарядного течения к капельному или пробковому течению. Наконец, были охарактеризованы и изображены закономерности скорости потока в змеевидном микроканале. Результаты этого исследования дадут ценную информацию о поведении двухфазных потоков в змеевидных микрофлюидных устройствах. Эта информация может быть использована для оптимизации конструкции микрофлюидных устройств для различных применений. Кроме того, исследование продемонстрирует применимость CFD-моделирования при исследовании поведения жидкостей в микрофлюидных устройствах, что может стать экономичной и эффективной альтернативой экспериментальным исследованиям.

Использование двухфазных систем жидкость-жидкость (ЖЖ) широко распространено при химической обработке, например, при полимеризации, нитровании, хлорировании, реактивной экстракции и экстракции растворителями1,2,3,4,5. Эти процедуры в основном затрудняются транспортными ограничениями, такими как низкие скорости массообмена6,7,8. Чтобы преодолеть эти ограничения, миниатюризация была признана многообещающим методом интенсификации процессов за счет снижения сопротивления транспортировке и увеличения скорости транспортировки9,10,11. Использование микропространств в устройствах может привести к высоким скоростям тепло- и массообмена12,13,14,15,16,17. Более высокое соотношение межфазной зоны к объему в микромасштабных бинарных схемах по сравнению с макромасштабными системами приводит к увеличению скорости тепломассопереноса и повышению эффективности процесса, которая может быть на порядок выше по сравнению с традиционными системами. Кроме того, простота масштабирования, повышенная безопасность и снижение требований к инвентарю, особенно для систем, использующих рискованные и эксклюзивные химические вещества, делают микрофлюидные устройства подходящими для широкого спектра применений. Эффективность конкретной системы в микроканалах LL во многом зависит от схем течения двух несмешивающихся жидкостей18,19,20,21.

Модели микрофлюидного потока относятся к поведению жидкости в микроканалах или устройствах. В микрофлюидных системах встречаются три основных потока: параллельный, капельный и снарядный. Карты потоков графически показывают зависимость этих основных потоков от скорости потока двух фаз. Понимание моделей микрофлюидного потока важно для проектирования и оптимизации микрофлюидных устройств для конкретных приложений. Контролируя структуру потока, исследователи могут манипулировать поведением жидкостей в микромасштабных каналах и разрабатывать устройства, которые могут выполнять точные химические реакции, разделение и обнаружение22,23,24.

Несколько моделей потока LL были тщательно изучены с помощью микрофлюидных инструментов на основе таких факторов, как размер и форма микроканалов, физические характеристики жидкостей (например, вязкость и поверхностное натяжение), скорость потока, соотношение потоков жидкостей и смачивающие свойства. стенки микроканалов25,26,27. Максимально обычные схемы течения LL в двухфазных микроканалах включают пробковое течение, пробковое течение и капельное течение. Снарядное течение предпочтительнее для многих систем из-за внутреннего вращения внутри пробок двух фаз и диффузии между соседними пробками. Тем не менее, комплексное разделение фаз внутри микрофлюидного инструмента остается проблемой в режимах пробкового течения. Гидродинамика пули, такая как длина и скорость пули, имеет важное значение, поскольку она влияет на производительность микрофлюидных устройств28,29,30,31.