مطالعه عددي تغيير شكل قطره در ميكروكانال تخت قيفي شكل

A numerical study of droplet deformation in a flat funnelform microchannel

پيرو مطالعات تجربي انجام شده، در اين مطالعه، تغيير شكل يك قطره كه در حال شارش در شبكه ميكروشاره تخت قيفي شكل است، به ­طور عددي مورد مطالعه قرار گرفته است. شبكه ميكروسيال مورد مطالعه، از دو قسمت كانال مستقيم و كانال بازشونده تخت قيفي شكل تشكيل شده است. در اين مطالعه، از روش حل متوسط­ گيري عمقي به جاي حل معادله­ ي استوكس سه بعدي، استفاده شده است. با استفاده از روش عنصر مرزي، معادله‌ي دارسي براي محاسبه فشار و سرعت در كانال ميكروسيال دوبعدي به­طور عددي حل شده است. شبيه­ سازي‌هاي‌ عددي نشان مي‌دهد، هنگامي كه قطره وارد ناحيه كانال واگرا مي­گردد، به دليل خطوط واگرا شكل جريان زمينه، به­ تدريج تغيير شكل پيدا مي‌كند. نتايج نشان مي‌دهد كه بيشينه تغيير شكل قطره در ناحيه­ ي كانال قيفي شكل تخت به پارامترهاي همانند عدد مويينگي، زاويه بازشدگي كانال و شعاع قطره وابسته است. براي اعتبار سنجي نتايج عددي، نتايج با داده­ هاي تجربي مقايسه شده است. مقايسه بين نتايج آزمايشگاهي و عددي، نشان مي­ دهد كه سازگاري بسيار خوبي بين مقياس عددي بيشينه تغيير شكل قطره و مقياس آزمايشگاهي آن وجود دارد.

Motivated by recent reported experiments, droplet deformation in a flat funnelform diverging microfluidic channel has been numerically studied. The structure of our microchannel is composed of two consecutive elements including a straight channel and a diverging channel. In this work, instead of solving the 3D Stokes equation, we solve a depth-averaged problem which is labeled two-dimensional problem. Employing the boundary element method (BEM), we numerically solve the Darcy equation in the two-dimensional and investigate droplet motion and droplet deformation as the droplet enters the flat funnelform diverging channel. Numerical simulations indicate that when a deformable droplet approaches the intersection of straight channel and funnelform diverging channel, the droplet decelerates and deforms. We numerically find that maximum deformation of droplet depends on droplet size, capillary number, and channel geometry. Our numerical scaling is in good agreement with the experimental scaling reports.