Popis hydrodynamiky a její vliv na transport hmoty v blízkosti stěn v mikromixéru s křížovým tokem

Michal MAREK

Bachelor's thesis

A description of hydrodynamics and its effect on the mass transport near walls in cross-shaped micromixer.

Abstract:

Tato práce se zabývá popisem hydrodynamiky a jejího vlivu na transport hmoty v blízkosti stěn v mikromixéru s křížovým tokem. Pro studium křížového mikromixéru bylo zvoleno zařízení se dvěma vstupními a dvěma výstupními kanálky, které se vzájemně kříží pod úhlem 90$^{\circ}$. Vstupní kanálky mikromixéru přiváděla kapalinu do vzájemného kontaktu pod úhlem 180$^{\circ}$. Daný systém byl řešen pomocí nástrojů výpočetní mechaniky tekutin. Bylo pozorováno, že v místě křížení z důvodu intenzivního promíchání obou proudů se tok změní na složité proudění kapaliny, které je tvořené prstencovitým primárním tokem pohybujícím se v axiálním směru a sekundárního spirálovitého proudění. Bylo zjištěno, že normálová složka smykové rychlosti na stěně je zanedbatelná ve srovnání s ostatními složkami. Axiální a příčné složky jsou však řádově velikostně srovnatelné zejména v blízkosti křížení proudů. Při popisu transportu hmoty v okolí elektrodifuzní sondy obdélníkového tvaru klasické řešení popsané Lévequem předpokládá pouze tok tekutiny v kolmém směru k hraně sondy. Proto bylo nutné odvodit nový model a provést korekci na vztah popisující normalizované Sherwoodovo číslo. V rámci modelu byla definována ekvivalentní délka jako průměrná vzdálenost, kterou musí kapalina překonat přes povrch elektrody. Výsledný model je závislý jen na dvou parametrech, a sice na kvadrátu poměru příčné smykové rychlosti ku její velikosti a na poměru hran sondy. Bylo zjištěno, že pokud kapalina teče kolmo na obdélníkovou elektrodu, hodnoty normalizovaného Sherwoodova čísla se shodují s klasickou teorií. Maximální rozdíl byl naopak zjištěn, pokud poměr složek rychlostí (axiální ku příčné) je roven poměru velikosti hran.

Abstract:

This thesis is focused on a description of hydrodynamics and its effect on the mass transport near walls in cross-shaped micromixer. For the study of cross-shaped micromixer, a device with two inlet and two outlet channels was used . The channels cross each other at an angle of 90$^{\circ}$. Inlet channels of micromixer fed fluid to mutual contact at an angle of 180$^{\circ}$. Given system was solved by computational fluid dynamics. It was observed that the flow changes to a complex fluid flow at the crossing place due to intense mixing of both streams. The hydrodynamics is formed by an annular primary flow moving in the axial direction and secondary spiral vortexes. It was found that normal component of the shear rate on the wall is negligible compared to the other components. However, axial and transversal components are of the order of magnitude comparable especially in the vicinity of the crossing of the streams. In describing mass transport in the close distance from a rectangular electrodiffusion probe, a classical solution described by Lév?que supposes only a fluid flow perpendicular to the probe edge. Therefore, it was necessary to derive a new model and make a correction for the equation describing the normalized Sherwood number. An equivalent length was defined within the model as the average distance which the liquid must cross over the surface of the electrode. The resulting model depends only on two parameters: a square transverse shear rate to its size and probe edge ratio. It was found that when the liquid flows perpendicular to the rectangular electrode, the values of a normalized Sherwood number correspond with classical theory. In contrast, the maximum difference was found if the velocity components ratio (axial to transversal) is equal to the edge size ratio.

Keywords

mikrofluidní zařízení, mikromixéry, CFD, transport hmoty, křížový tok, elektrodifuzní metoda

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 7. 2019

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Jaromír Havlica, Ph.D.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Chemistry / CHE TV