بررسي تجربي و عددي اثر جريان آشوبناك بر اختلاط سيالات بسيار لزج

Experimental and numerical investigation of effect of chaotic flow on mixing of highly viscous fluids

در مطالعه حاضر، اثر جابجايي آشوبناك بر اختلاط درون يك همزن جريان آرام به‌صورت تجربي و عددي بررسي شده است. همزن شامل دو روتور و يك استاتور استوانه‌اي با سطح مقطع دايروي است به صورتي كه مي‌‌توان سرعت چرخش روتورها را با زمان كنترل نمود. اين نوع همزن در صنايع غذايي و دارويي كاربرد فراوان دارد. عملكرد همزن به‌صورت تجربي از طريق تزريق رنگ و ثبت تصاوير مورد بررسي قرار گرفت و به‌ صورت عددي نيز اثر جريان آشوبناك بر اختلاط با ردگيري لاگرانژي ذرات، محاسبه ميزان كشيدگي المان‌هاي سيال و ايجاد مقاطع پو آنكاره به‌صورت كمي و كيفي نتايج تجربي نشان مي‌‌دهد با اغتشاش سينوسي اعمال شده به سرعت دوراني روتورها نواحي ضعيف اختلاط در طول زمان از بين رفته و ذرات سيال به خوبي در سطح همزن پخش مي‌شوند. با استفاده از شبيه‌سازي عددي نيز نشان مي‌دهند هنگامي كه سرعت دوراني روتورها متغير است جريان درون همزن حساس به شرايط اوليه مي‌باشد كه اين امر يكي از شاخصه‌هاي مهم جريان آشوبناك است. همچنين با محاسبه مقدار كشيدگي المان‌هاي سيال نشان داده شد كه مقدار متوسط نمايي كشيدگي در جريان آشوبناك نسبت به جريان غير آشوبناك افزايش 2 برابري دارد. در اين تحقيق بر اساس مفاهيم علمي و كاربردي تئوري آشوب در مكانيك سيالات، راندمان همزن هاي دور پايين در اختلاط سيالات بسيار لزج بدون افزايش انرژي مصرفي، افزايش چشمگيري يافته است.

In this study, the effect of chaotic advection on laminar mixing is analyzed experimentally and numerically. Mixer includes two circular rotors and a circular stator such that that rotational speed of each rotor could be controlled by time. This kind of mixer is widely used in the food and pharmaceutical industry. The performance of the mixer was investigated experimentally with dye injection and image recording. Moreover, the effect of chaotic flow on mixing numerically is studied qualitatively and quantitatively with Lagrangian fluid particle tracing, calculating the stretching rate of fluid elements and Poincare sections. The experimental results indicate that as a result of applying sinusoidal perturbation on rotational velocity of rotors, weak mixing zones will disappear with the passage of time, and fluid particles will be distributed uniformly in the surface of the mixer. Numerical simulation shows that the mixer flow is sensitive to initial condition when rotational velocity of rotors is variable, and this is one of the important factors in chaotic flow. Furthermore, calculation of stretching rate of fluid elements indicates that average exponential value of fluid elements stretching in the chaotic flow is two times more than non-chaotic one. This research, based on scientific concepts and theoretical application of chaos in fluid mechanics, denotes that the efficiency of low-speed mixers in highly viscous fluid mixing is increased without any increase in the consuming energy.