Μελέτη της ροής σε ανοιχτούς κεκλιμένους μικροαγωγούς

Abstract

The growing interest in microfluidics and the need for new designing correlations were the motivation of the present PhD thesis. Specifically the research interest is focused on the Falling Film Microreactor, one of the most important microfluidic devices for gas-liquid applications. After the literature review concerning FFMRs the thickness of the liquid film (H) and the shape of the interface have been recognized as key parameters for the design of such devices. With the aim of exploring the parameters which affect the operation of Falling Film Microreactors (FFMRs), the geometrical and hydrodynamic characteristics of the liquid phase, flowing in inclined open microchannels, have been investigated experimentally. Experiments have been conducted in three microchannels of different width (i.e. 1200, 600 and 300 μm) while distilled water, two aqueous solutions of glycerol and two aqueous solutions of butanol have been used as working fluids.As this is basically an experimental investigation, the choice of a suitable measuring technique is of crucial importance. In the present work, μ-PIV, a method widely used for velocity measurements in microconduits, is used for assessing the geometrical characteristics of liquid films in microchannels offering high accuracy and high spatial resolution. With this method a reconstruction of the gas-liquid interface can be made while the thickness of the liquid film can be also measured. Experiments concerning the investigation of the flow regimes confirmed the existence of three flow patterns i.e. corner rivulet flow, film flow with dry patches and complete film flow. During the investigation of the shape of the interface it was found that the capillary forces become very important in such narrow conduits and thus the interface has the shape of a flowing meniscus. For all the cases studied it was proved that the shape of this meniscus can be described with relative accuracy by a second order polynomial whose parameters are functions of the geometrical characteristics of the microchannel as well as the thickness of the liquid phase. It was also found that the film thickness strongly depends on the properties of the liquid and especially the viscosity. Great impact on film thickness found to have the reduction of the microchannel width and the inclination angle of the conduit. After dimensional analysis it was found that the film thickness is a function of three dimensionless numbers namely; Reynolds, Capillary and Froude, and a new correlation for the prediction of film thickness has been proposed.Except the geometrical characteristics of the liquid phase the hydrodynamics of the film was also investigated both experimentally and with numerical methods as well. Velocity profiles at the base of the meniscus found to decline from the parabolic shape as they present two velocity maxima near the side walls of the channel (“M”-shape profile). After combining experimental results and the data obtained from the CFD simulations it was found that this “M”- shape occurs when the ratio ‘meniscus height/film thickness’ is higher than 1.1. By summarizing the results of this thesis, we are able to propose a general strategy for the design of FFMRs.

Το ολοένα και αυξανόμενο ενδιαφέρον για τις μικροσυσκευές καθώς και τα πλεονεκτήματα που εμφανίζει η χρήση τους αποτέλεσαν τα κίνητρα για τη διεξαγωγή της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν οι λειτουργικές παράμετροι μιας από τις πιο σημαντικές μικροσυσκευές διφασικής ροής; Του μικροαντιδραστήρα ελευθέρως ρέουσας στιβάδας. Έπειτα από εκτενή βιβλιογραφίκη ανασκόπηση βρέθηκε ότι το πάχος της σχηματιζόμενης υγρής στιβάδας (Η) καθώς και το σχήμα της διεπιφάνειας υγρού-αερίου αποτελούν τις βασικότερες σχεδιαστικές μεταβλητές αυτών των συσκευών. Με στόχο λοιπόν τη μελέτη των παραμέτρων που επηρεάζουν τις δύο αυτές μεταβλητές μελετήθηκαν τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά (κώδικας υπολογιστικής ρευστοδυναμικής), τα γεωμετρικά και ρευστοδυναμικά χαρακτηριστικά της υγρής φάσης σε ανοιχτούς κεκλιμένους μικροαγωγούς. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε τρία μικροκανάλια τετραγωνικής διατομής και πλάτους 1200, 600 και 300 μm ενώ για την μελέτη της επίδρασης των φυσικώ ιδιοτήτων της υγρής φάσης χρησιμοποιήθηκαν υδατικά διαλύματα γλυκερίνης (επίδραση ιξώδους), υδατικά διαλύματα βουτανόλης (επίδραση επιφανειακής τάσης) και νερό ως ρευστό αναφοράς. Βασική καινοτομία της εργασίας αποτελεί το γεγονός ότι για την πραγματοποίηση των μετρήσεων μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την μέτρηση της ταχύτητας (μ-PIV) τροποποιήθηκε και χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς για την μελέτη των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της ελευθέρως ρέουσας στιβάδας με σχετικά υψηλή ακρίβεια. Με αυτή την μέθοδο είναι πλέον δυνατόν να γίνει ανακατασκευή της διεπιφάνειας και να μετρηθεί το πάχος του υγρού υμένα. Η μελέτη των περιοχών ροής ανέδειξε την παρουσία τριών προτύπων ροής: ροή στα άκρα του μικροαγωγού, ροή με στεγνές κηλίδες και πλήρως ανεπτυγμένη ροή του υμένα. Κατά τη μελέτη του σχήματος της διεπιφάνειας παρατηρήθηκε ότι σε τόσο μικρές διαστάσεις η επίδραση των φαινομένων επιφανείας αυξάνεται και ότι λόγω τριχοειδών δυνάμεων η διεπιφάνεια παίρνει το σχήμα ρέοντος μηνίσκου. Για όλες τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν βρέθηκε ότι το σχήμα του μηνίσκου μπορεί να περιγραφεί με μεγάλη ακρίβεια από ένα πολυώνυμο δευτέρου βαθμού (1η σχεδιαστική εξίσωση). Επίσης βρέθηκε ότι το πάχος της υγρής στιβάδας εξαρτάται άμεσα από τις ιδιότητες της υγρής φάσης και κατά κύριο λόγο από το ιξώδες. Επιπρόσθετα κρίσιμης σημασίας φαίνεται να είναι και το πλάτος του μικροαγωγού, καθώς αυτό μειώνεται το πάχος της υγρής στιβάδας παρουσιάζει δραματική αύξηση. Έπειτα από διαστατική ανάλυση βρέθηκε ότι πάχος είναι συνάρτηση τριών αδιάστατων αριθμών; Reynolds, Froude & Capillary. Με βάση αυτό διατυπώθηκε η δεύτερη σχεδιαστική εξίσωση. Εκτός από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά μελετήθηκε και η ταχύτητα της υγρής φάσης. Το πιο ενδιαφέρον από τα ευρήματα των μετρήσεων είναι η απόκλιση που παρουσιάζεται σε ορισμένες περιπτώσεις από το κλασσικό παραβολικό προφίλ της ταχύτητας. Συγκεκριμένα βρέθηκε ότι σε χαμηλές παροχές υγρού το προφίλ της ταχύτητας παρουσιάζει δύο μέγιστα και έτσι έχει ένα “M” σχήμα. Η εμφάνιση αυτού του προφίλ συνδέθηκε με τον λόγο ύψος μηνίσκου / πάχος υγρή στιβάδας (εμφανίζεται για λόγους> 1.1). Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώθηκαν και από τα δεδομένα της αριθμητικής προσομοίωσης. Συγκεντρώνοντας όλα τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής είμαστε σε θέση να προτείνουμε μια ολοκληρωμένη στρατηγική σχεδιασμού ενός μικροαντιδραστήρα ελευθέρως ρέουσας στοιβάδας.