Влияние структурных поверхностей на гидродинамику потока в микрообъектах

Исследуется влияние нано- и микроструктурных поверхностей на гидродинамику течения в энергетических микрообъектах, имеющих два входа, угол слияния которых составляет 180°, и один выход. Структурные поверхности располагаются на боковых стенках выходного канала. В качестве структурной текстуры используются: конусы высотой ~200 нм, ориентированные ребра высотой ~980 нм и ~18,4 мкм, а также изучается течение жидкости внутри микрообъекта с двумя ребрами расположенными на противоположных стенках выходного канала, находящихся на расстоянии равном гидравлическому диаметру канала и составляющему 160 мкм в выходном канале. Расположение ориентированных ребер сделано таким образом, что первое ребро находится на расстоянии 160 мкм от входа в канал смешения, каждое последующее на расстоянии 160 мкм от предыдущего. Ребро в сечении имеет практически треугольную форму, основание которого лежит на боковой стенке канала. Увеличение расхода подаваемой жидкости приводит к изменению режимов течения. В работе изучается влияние структурных поверхностей на реализующиеся ламинарный, слоистый и вихревой режимы течения. Наличие структурных поверхностей приводит к сужению выходного канала и, как следствие, увеличению смешения и массопереноса. Полученная обширная экспериментальная база является основой для поиска оптимального использования как уже имеющихся микрообъектов, таких как микромиксеры и микрореакторы, так и микрообъектов с различной шероховатостью и развитой поверхностью стенок.

ОБОРУДОВАНИЕ

В отчетном периоде использовалось оборудование, закупленное в рамках данного проекта, представленное на рисунке справа.

Микроскоп МИБ-Л производства ООО «ЛОМО-Микросистемы», г. Санкт-Петербург с набором объективов х5 , х10 , х20 , х40. Подсветка потока в рабочем участке осуществляется ртутной лампой, входящей в комплект, и помимо этого, использовалось лазерное излучение и камера для фиксации изображений 

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

— метод лазерной индуцированной флуоресценции с микронным разрешением

— метод цифровой трассерной визуализации с микронным разрешением

РЕЗУЛЬТАТЫ

Исследуемые микрообъекты изготовлены с использованием метода мягкой литографии из полидиметилсилоксана, имеющего оптическую прозрачность.

Расход жидкости Q на входе варьировался в пределах от 0,8 мл/ч до 40 мл/ч.

Рабочая жидкость – дистиллированная вода.

Число Рейнольдса Re = U0· Dh/ ν рассчитывалось по среднерасходной скорости в канале смешения U0, гидравлическому диаметру прямоугольного выходного канала Dh = 160 мкм и кинематической вязкости ν, значение которой бралось с учетом температуры помещения. В эксперименте число Рейнольдса варьировалось от 3 до 120.

Схема объекта исследования
Поля концентрации, полученные методом лазерной индуцированной флуоресценции
Профиль концентрации в сечении 4Dh
Профили продольной составляющей скорости для микрообъекта с гладкими стенками (-) и двумя ребрами (♦), Re = 63, полученные методом цифровой трассерной визуализации

На основе данных полученных методом лазерной индуцированной флуоресценции и расчета параметра эффективности перемешивания, можно сделать вывод, что смешение жидкостей увеличивается не значительно, если высота шероховатостей находится в диапазоне менее 2% от характерного размера канала; экспериментально показано, что эффективность перемешивания можно увеличить практически на 11%, если высота шероховатости составляет более 8% от характерного размера микрообъекта. Также происходит значительное изменение как конфигурации профиля, так и максимального значения средней скорости потока.

Iconic One Theme | Powered by Wordpress