توصيفگر ها :
ميكروسيال شناسي , توليد قطره , جريان متمركز , لزجت , كشش بين سطحي , هندسه ميكروكانال
چكيده فارسي :
ميكروسيال‌شناسي، به عنوان يكي از شاخه‌هاي نو‌ظهور علم و مهندسي، به مطالعه رفتار سيالات در ابعاد ميكرو و نانو مي‌پردازد. توليد قطره به فرايندي اطلاق مي‌شود كه در آن سيال مايع به قطرات كوچك و يكنواخت در بطن مايعي ديگر تقسيم مي‌شود. در اين فرايند، با تنظيم پارامترهايي مانند سرعت (يا دبي) جريان، خواص سيالات و هندسه كانال‌ها، مي‌توان قطراتي با اندازه و تركيب دلخواه توليد كرد. در فرايند توليد قطرات ميكروسيالي، دو فاز غيرقابل اختلاط، به نام فاز پيوسته و فاز پراكنده ، نقش اصلي را ايفا مي‌كنند. هندسه‌ي جريان متمركز، از جمله هندسه‌هاي متداول فرايند توليد قطره است. لزجت فاز پيوسته، كشش بين سطحي دو فاز، قطر قسمت باريك ميكروكانال، زاويه انبساط ميكروكانال، سرعت فاز پيوسته و پراكنده، پارامترهاي مستقلي بودند كه با مطالعه و مرور پژوهش‌هاي پيشين، جهت بررسي اندازه و فركانس قطرات توليدشده انتخاب شدند. در اين پژوهش مطالعه منسجم و يكپارچه‌اي براي بررسي تاثير هر يك از پارامترهاي يادشده و همچنين مقايسه و طبقه‌بندي اين تاثيرگذاري انجام‌شد. با استفاده از طراحي مركزي مركب به روش سطح پاسخ، آزمايش‌هاي 77 گانه‌اي با در نظرگرفتن بازه مناسب براي هر يك از پارامترهاي يادشده، طراحي‌شد. سپس اين آزمايش‌ها در نرم‌افزار كامسول با تعيين معادلات حاكم با توجه به فيزيك مساله و پس از اعتبارسنجي از مدل اوليه، انجام و اندازه و فركانس توليد قطرات در ميكروكانال براي هر آزمايش، گزارش‌شد. دقت نتايج نيز به كمك ابزار نرم‌افزار ديزاين – اكسپرت تاييدشد. نتايج نشان داد كه قطر قسمت باريك ميكروكانال، نسبت سرعت فاز پيوسته به پراكنده، سرعت فاز پراكنده، كشش بين سطحي دو فاز، لزجت فاز پيوسته و زاويه انبساط ميكروكانال بر اندازه قطرات و همچنين سرعت فاز پراكنده، قطر قسمت باريك ميكروكانال، نسبت سرعت فاز پيوسته به پراكنده، كشش بين سطحي دو فاز، لزجت فاز پيوسته و زاويه انبساط ميكرو كانال بر فركانس توليد قطرات، به ترتيب بيشترين تاثير را دارند. در نهايت نشان داده‌شد كه براي هندسه‌هاي بررسي‌شده مي‌توان بازه قابل‌توجهي از قطرات با اندازه‌هاي مختلف توليد نمود.
چكيده انگليسي :
Microfluidics, an emerging field of science and engineering, investigates the behavior of fluids at the micro and nanoscale. droplet generation refers to the process of dividing a liquid fluid into small, uniform droplets within another fluid. By adjusting parameters such as flow rate, fluid properties, and channel geometry, droplets with desired size and composition can be produced. In droplet microfluidics, two immiscible phases, namely the continuous phase and the dispersed phase, play a crucial role. Focused flow geometry is a common configuration for droplet generation. The viscosity of the continuous phase, interfacial tension between the two phases, diameter of the microchannel constriction, microchannel expansion angle, and velocities of both the continuous and dispersed phases were identified as independent parameters based on a review of previous research to investigate their influence on droplet size and frequency. This study conducted a comprehensive analysis to examine the impact of each parameter and to compare and classify these effects. A 77-run central composite design with response surface methodology was employed to design experiments, considering appropriate ranges for each parameter. These experiments were then simulated in COMSOL Multiphysics software by defining governing equations based on the physics of the problem. After validating the initial model, the size and frequency of droplets generated in the microchannel were reported for each experiment. The accuracy of the results was confirmed using the Design-Expert software. The results indicated that the diameter of the microchannel constriction, the ratio of the continuous phase velocity to the dispersed phase velocity, the dispersed phase velocity, interfacial tension between the two phases, viscosity of the continuous phase, and the microchannel expansion angle had the most significant impact on droplet size. Similarly, the dispersed phase velocity, diameter of the microchannel constriction, the ratio of the continuous phase velocity to the dispersed phase velocity, interfacial tension between the two phases, viscosity of the continuous phase, and the microchannel expansion angle had the most significant influence on droplet frequency. Ultimately, it was demonstrated that a considerable range of droplets with different sizes could be produced for the investigated geometries.
