مطالعه عددي فرآيند امولسيون‌سازي در دستگاه ميكروسيال متقاطع

A Numerical Study of Emulsification Process in Microfluidic Flow-Focusing Devices

امولسيون مخلوطي از دو مايع ممزوج نشدني است كه يكي از مايعات به صورت ريزقطرات در مايع ديگر پراكنده شده است. به مايعي كه به صورت ريزقطرات است، فاز گسسته و به مايع ديگر فاز پيوسته گفته مي‌شود. يكي از روش‌هاي متداول براي امولسيون‌سازي، استفاده از دستگاه‌هاي ميكروسيال است كه مطالعه جريان در اين دستگاه‌ها، اخيرا بسيار مورد توجه قرار گرفته است. در اين تحقيق، فرآيند توليد ريزقطره در دستگاه ميكروسيال متمركزكننده ‌جريان با جريان‌هاي متقاطع و متعامد بر هم شبيه‌سازي شده است. در اين راستا، تاثير پارامترهاي ويسكوزيته و دبي حجميِ هر دو مايع در فرآيند امولسيون سازي بر توليد ريزقطره، مورد بررسي قرار گرفته اند. نتايج حاصل نشان مي دهند كه افزايش دبي حجمي فاز گسسته به ازاي دبي ثابتي از فاز پيوسته، به توليد ريزقطرات درشت تر مي انجامد؛ در حالي كه افزايش دبي حجمي فاز پيوسته به ازاي دبي ثابتي از فاز گسسته، منجر به كاهش اندازه ريزقطرات مي شود. بررسي نتايج همچنين نشان مي دهند كه نسبت دبي حجمي فاز پيوسته به فاز گسسته، از نقشي اساسي در تعيين اندازه ريز قطرات برخوردار است، صرف‌ نظر از اينكه كدام يك از دبي حجمي فاز گسسته يا دبي حجمي فاز پيوسته در فرآيند ثابت فرض شده باشند. بررسي تاثير ويسكوزيته نيز نشان مي‌دهد كه اندازه ريز قطرات با افزايش ويسكوزيته فاز گسسته افزايش مي‌يابد؛ در حالي كه افزايش ويسكوزيته فاز پيوسته، موجب كاهش اندازه ريزقطرات مي شود. مقايسه ميان نتايج شبيه سازي با نتايج تجربي حاكي از دستيابي به توافق مناسبي ميان آنهاست كه صحت روش شبيه سازي را مورد تاييد قرار مي دهد.

An emulsion is a mixture of two immiscible liquids in which one liquid is dispersed in the form of small drops in the other one. The liquid in the form of droplets is called the discrete phase, whereas the other liquid is termed as a continuous phase. One of the common methods for emulsi?cation is based upon using micro?uidic devices. Currently, the study of flow in microfluidic devices is highly regarded due to having many applications in various fields including droplet generation in relation with the standard and quality of human life. In this work, the process of droplet generation in micro?uidic ?ow-focusing devices with orthogonal and intersecting flows is simulated. The effects of viscosity and flow rate of the discreted and continuous phases on the droplet generation process are also investigated. Based on the simulation results, increasing the flow rate of the discreted phase (Qd) at a fixed continuous phase leads to the increment of droplet size, whereas an increase in the flow rate of the continuous phase (Qc) at a fixed discreted phase results in a smaller droplet size. Moreover, for a constant Qc/Qd ratio, regardless of whether the discrete or continuous phase flow rate is fixed, the equal droplet size is achieved. A higher viscosity of the discrete phase provides a larger droplet size, whereas an increase in the viscosity of the continuous phase leads to a smaller droplet size. The simulation results, in comparison with the experimental results, show a good agreement, confirming the accuracy of the proposed method.