Numerical Investigation Study for Two Designs of Passive Micromixers Based on Split and Recombination Concept

Abstract

Mikromikserler, küçük partiküller ve elementler gibi reaktifleri karıştırmak ve dağıtmak için mikroakışkan cihazların temel bileşenleridir. Bu çalışma, bölünmüş ve rekombinasyon ilkesine dayalı iki farklı tasarımda iki mikromikser modelini tanıtmaktadır. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD), geniş bir Reynolds Sayısı (Re), 1≤Re≤ 100 aralığında akış özelliklerini araştırmak ve en uygun çözünürlüğü elde etmek için kullanılmaktadır. Hatalardan kaçınmak için ızgara boyutu üç seviyede ve iki model halinde test edilmiştir. İlk model, karıştırma birimleri ve zikzak şeklinde beş daireden oluşmaktadır. Taguchi yöntemiyle optimize etmek için üç seviyeli dört faktör kullanılmıştır. En uygun tasarımın elde edilebilmesi için açı, dönemler, genişlik / çap (w / d) ve derinlik/genişlik (w / t) arasındaki oran parametreleri incelenmiştir. Kütle oranı varyansı, karıştırma indeksini etkilemekte olup karıştırma indeksi Reynolds Sayılarıyla doğrusal olarak gelişmektedir. Taguchi metodu analizi, 70o, dört (4) periyotlu (w / d = 0.125) ve (w / t = 1) oranı ele alındığında mikserde %90'ın üzerinde karıştırma verimliliğinin elde edildiği görülmüştür. Ayrıca, 70o'lik bir karıştırıcı kullanıldığında optimum basınç düşüşü gözlemlenmiştir. Tez kapsamında çalışılan ikinci model üç (3) kanatlı bir mikromikserdir. Karıştırıcı verimliliğini, sıvı giriş hızındaki değişikliği, eklemlerin bükülme açısını ve değişken çaplı tıkanıklığı test etmek için üç farklı faktör kullanılmış olup basınç düşüşü incelenmiştir. Bükülme derecesi arttıkça karıştırma verimliliğinin de arttığı görülmüştür. Devir bağlantı devir sayısının 1.5 olması durumunda %90 karıştırma verimliliği sağlanmış olup sistemde, diğer karıştırıcılardan daha yüksek basınç düşüşü gözlemlenmiştir.Micromixers are essential components of microfluidic devices to mix and distribute reagents like small particles and elements. Researchers' goal is the efficiency of mixing, which means interest in time, cost, and accuracy. This study introduces two models of micromixers in two different designs. The two models are based on the split and recombination concept. Fluent software of Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to investigate the flow characteristics. Mixing capability numerically investigated in a wide range of Reynolds number (Re), 1 ≤ Re ≤ 100. The independence of grid size was tested in three levels to prevent errors. The first model includes five circles as mixing units and a zigzag shape. Four factors with three levels were used to optimize the shape were; angle, periods, the ratio between width to diameter (w/d), and width to depth (w/t) by the Taguchi method. The mass fraction variance evaluates the mixing index. The mixing index is developing linearly with Reynolds numbers. Taguchi method analysis proves that a mixer with 70o, 4-period, (w/d=0.125), and (w/t=1) is the best design, where the efficiency is above 90%; also, the pressure drop for a mixer with 70o is the best. The second model is a 3-winged micromixer. Three factors were used to test the mixer efficiency: the change inlet velocity, connections twist angle, and an obstacle with a variable diameter. Also, the pressure drop was studied. When the degree of twist increases, the efficiency enhances too. The type with connections1.5 revolutions is achieved an efficiency reaches 90%; also, a drop of pressure was achieved for the same mixer higher than the other mixers.