두 가지의 전산유체역학 시뮬레이션

Apr 13, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9483(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

현재 연구 작업에서는 구불구불한 마이크로채널에서 액체-액체 추출(LLE) 공정의 유동 거동을 분석했습니다. 시뮬레이션은 3D 모델을 사용하여 수행되었으며 결과는 실험 데이터와 일치하는 것으로 나타났습니다. 흐름 모델에 대한 클로로포름과 물 흐름의 영향도 조사되었습니다. 데이터는 일단 아쿠아 및 유기상의 유속이 낮고 유사하면 슬러그 흐름 패턴이 관찰된다는 것을 나타냅니다. 그러나 전체 유량이 증가함에 따라 슬러그 흐름은 평행 플러그 흐름 또는 액적 흐름으로 변환됩니다. 일정한 유기상 유량을 유지하면서 아쿠아 흐름이 증가하면 슬러그 흐름에서 액적 흐름 또는 플러그 흐름으로 전환됩니다. 마지막으로, 구불구불한 마이크로 채널의 유속 패턴을 특성화하고 묘사했습니다. 이 연구의 결과는 구불구불한 미세유체 장치의 2상 흐름 패턴의 거동에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 것입니다. 이 정보는 다양한 응용 분야에 대한 미세유체 장치의 설계를 최적화하는 데 사용될 수 있습니다. 또한, 이 연구는 실험적 연구에 대한 비용 효율적이고 효율적인 대안이 될 수 있는 미세유체 장치의 유체 거동을 조사하는 데 CFD 시뮬레이션의 적용 가능성을 입증할 것입니다.

2상 액체-액체(LL) 시스템의 사용은 중합, 질화, 염소화, 반응성 및 용매 추출과 같은 화학 처리에서 널리 사용됩니다1,2,3,4,5. 이러한 절차는 대부분 작은 대량 전송 속도6,7,8과 같은 전송 제한으로 인해 방해를 받습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 소형화는 운송 저항을 줄이고 운송 속도를 증가시켜 공정 강화의 유망한 방법으로 인식되었습니다9,10,11. 장치의 미세 공간을 활용하면 열 및 물질 전달 속도가 높아질 수 있습니다12,13,14,15,16,17. 거시적 규모의 시스템과 비교하여 미시적 규모의 바이너리 방식에서 계면 영역 대 부피 비율이 높을수록 열 및 물질 전달 속도가 향상되고 공정 효율성이 향상되며 이는 기존 시스템에 비해 훨씬 더 높아질 수 있습니다. 또한, 특히 위험하고 독점적인 화학 물질을 사용하는 시스템의 경우 확장이 용이하고 안전성이 향상되고 재고 요구 사항이 감소하여 미세 유체 장치가 광범위한 응용 분야에 적합합니다. LL 마이크로채널의 특정 시스템의 효율성은 두 가지 비혼화성 액체의 흐름 방식에 크게 좌우됩니다.

미세유체 흐름 패턴은 미세 규모 채널이나 장치에서 유체의 거동을 나타냅니다. 세 가지 주요 흐름, 평행 흐름, 액적 흐름, 슬러그 흐름이 미세유체 시스템에서 발생합니다. 흐름 맵은 이러한 주요 흐름과 두 단계의 흐름 속도를 그래픽으로 보여줍니다. 미세유체 흐름 패턴을 이해하는 것은 특정 응용 분야에 대한 미세유체 장치를 설계하고 최적화하는 데 중요합니다. 흐름 패턴을 제어함으로써 연구자들은 미세한 채널에서 유체의 거동을 조작하고 정밀한 화학 반응, 분리 및 검출을 수행할 수 있는 장치를 개발할 수 있습니다22,23,24.

마이크로 채널 크기 및 모양, 액체의 물리적 특성(예: 점도 및 표면 장력), 유속, 액체의 유속 비율 및 습윤 거동과 같은 요소를 기반으로 미세 유체 도구에서 여러 LL 흐름 패턴을 면밀히 조사했습니다. 마이크로 채널 벽25,26,27. 2상 마이크로 채널의 최대 일반적인 LL 흐름 패턴에는 슬러그 흐름, 플러그 흐름 및 액적 흐름이 포함됩니다. 슬러그 흐름은 두 단계의 슬러그 내부 내부 회전과 인접한 슬러그 간의 확산으로 인해 수많은 시스템에서 선호됩니다. 그럼에도 불구하고 미세 유체 도구 내부의 포괄적인 위상 분할은 슬러그 흐름 체제에서 여전히 과제로 남아 있습니다. 슬러그 길이 및 속도와 같은 슬러그 유체역학은 미세유체 장치의 성능에 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다.