بررسي عددي فرايند امولسيون در ميكروكانال ها با استفاده از روش شبكه بولتزمن با مدل تابع مشخصه

Numerical investigation of emulsion process in microchannels, using index-function lattice Boltzmann method

امولسيون در اثر تركيب دو سيال مخلوط نشدني يك روش نو براي توليد قطره‌هاي منفرد جداشونده مي باشد. هدف اين تحقيق استفاده از قابليت روش شبكه بولتزمن براي شبيه سازي جريان هاي دوفازي در ميكروكانال ها براي دستيابي به فرايند امولسيون است. براي اين منظور در اين مقاله از مدل تابع مشخصه هي براي شبيه سازي تشكيل قطره در فرايند امولسيون در ميكروكانال كو-فلويينگ كه داراي هندسه اي پيچيده و با سه ورودي مي باشد، استفاده شده است. اين شبيه‌سازي به منظور بررسي مكانيزم توليد قطره تحت رژيم هاي جريان چكه كردن و جتي و حالت انتقال بين اين دو رژيم صورت گرفته است. از مدل تابع مشخصه كه مدلي جديد در بررسي جريا ن هاي دوفازي است، براي رديابي حركت مرز مشترك بين دو سيال مخلوط نشدني استفاده شده است. دقت مدل مورد نظر توسط تست هاي معروف نوسانات قطره مربعي و برخورد دو قطره ساكن مورد امتحان قرار گرفته است. دراين مقاله فرايند تشكيل قطره توسط اعداد بي بعد مويينگي و نسبت سرعت بين دو فاز مورد بررسي قرار گرفته است. عدد مويينگي كه نسبت بين نيروي ويسكوزيته و نيروي كشش سطحي مي باشد، يكي از مهم ترين اعداد بي بعد در تعيين خواص جريان سيال در ميكروكانال ها است. نتايج شبيه سازي نشان مي دهد كه رژيم هاي مختلف چكه كردن، جت نازك و جت پهن نسبت به نتايج آزمايشگاهي متناظر داراي مطابقت خوبي است كه بيانگر دقت و پايداري مدل تابع مشخصه براي شبيه سازي اين نوع از جريان ها مي باشد.

Emulsion consists of drops of one liquid dispersed into another immiscible liquid, and is a novel technique for producing monodisperse droplets. The aim of this research is to use the Lattice Boltzmann Method (LBM) to simulate two-phase flows in micro-channels to access the emulsification process. For this approach, the Index-Function Model proposed by He is used to simulate drop formation in emulsification process in a co-flowing micro-channel with a complex geometry and three inlets. The simulation is performed to investigate the mechanism of drop generation due to dripping and jetting modes and the mode between them. Index function model, which is a new reliable model to evaluate two-phase flows is applied to track the motion and deformation of the interface between the two immiscible fluids. Accuracy of our results is examined by two well-known basic analytical models including Relaxation of a rectangular drop and Coalescence of two static droplets. Our results indicate good agreement with the analytical data. The dimensionless numbers such as Capillary and Velocity ratio were used. The Capillary number is one of the most important dimensionless numbers in determination of fluid flow characteristics in micro-channels. The simulations reproduce dripping, widening jetting and narrowing jetting simultaneously in a co-flowing microchannel in agreement with the experimental ones. This indicates that index function LBM model has good accuracy and high stability to simulate this kind of flow.