2つの数値流体力学シミュレーション

Apr 13, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9483 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

現在の研究では、蛇行マイクロチャネル内の液液抽出 (LLE) プロセスの流れの挙動が分析されました。 シミュレーションは 3D モデルを使用して実行され、結果は実験データと一致することがわかりました。 クロロホルムと水の流れが流動モデルに及ぼす影響も調べました。 データは、水相と有機相の流量が低くなり、同様になると、スラグ流パターンが観察されることを示しています。 しかし、全体の流量が増加すると、スラグ流は平行プラグ流または液滴流に変化します。 一定の有機相流量を維持しながらアクア流が増加すると、スラグ流から液滴流またはプラグ流への移行が生じます。 最後に、蛇行マイクロチャネル内の流量パターンが特徴付けられ、描写されました。 この研究の結果は、蛇行マイクロ流体デバイスにおける二相流パターンの挙動についての貴重な洞察を提供するでしょう。 この情報は、さまざまな用途向けのマイクロ流体デバイスの設計を最適化するために使用できます。 さらに、この研究は、マイクロ流体デバイス内の流体の挙動の調査における CFD シミュレーションの適用可能性を実証し、実験研究に代わる費用対効果が高く効率的な代替手段となる可能性があります。

液液二相 (LL) システムの使用は、重合、ニトロ化、塩素化、反応性および溶媒抽出などの化学処理で広く使用されています 1、2、3、4、5。 これらの手順は、ほとんどの場合、物質移動速度が小さいなどの輸送制限によって妨げられます6、7、8。 これらの制限を克服するには、輸送抵抗を減らし、輸送速度を高めることによる小型化が、プロセスを強化する有望な方法として認識されています9、10、11。 デバイス内で微小空間を利用すると、熱伝達率と物質伝達率が高くなる可能性があります12、13、14、15、16、17。 マクロスケールのシステムと比較して、ミクロスケールのバイナリスキームでは界面ゾーン対体積比が高いため、熱と物質の移動速度が向上し、プロセス効率が向上します。これは、従来のシステムと比較して桁違いに高くなる可能性があります。 さらに、特にリスクの高い専用の化学薬品を使用するシステムの場合、スケールアップが容易で安全性が向上し、在庫要件が削減されるため、マイクロ流体デバイスは幅広い用途に適しています。 LL マイクロチャネルにおける特定のシステムの有効性は、2 つの非混和性液体の流れスキームに大きく依存します 18、19、20、21。

マイクロ流体の流れパターンは、マイクロスケールのチャネルまたはデバイス内の流体の挙動を指します。 マイクロ流体システムでは、平行流、液滴流、スラグ流という 3 つの主要な流れが発生します。 フロー マップは、これらの主な流れと 2 つの相の流量をグラフで示します。 マイクロ流体の流れパターンを理解することは、特定の用途向けにマイクロ流体デバイスを設計および最適化するために重要です。 流れのパターンを制御することで、研究者はマイクロスケールのチャネル内の流体の挙動を操作し、正確な化学反応、分離、検出を実行できるデバイスを開発できます22、23、24。

マイクロチャネルのサイズと形状、液体の物理的特性 (粘度や表面張力など)、流量、液体の流量比、液体の濡れ挙動などの要素に基づいて、マイクロ流体ツールでいくつかの LL フロー パターンが精査されました。マイクロチャネル壁25、26、27。 二相マイクロチャネルにおける通常の最大の LL フロー パターンには、スラグ フロー、プラグ フロー、液滴フローが含まれます。 スラグ流は、2 つの相のスラグ内部での内部回転と、隣接するスラグ間の拡散により、多くのシステムで好まれます。 それにもかかわらず、マイクロ流体ツール内での包括的な相分割は、スラグフロー領域における課題のままです。 スラグの長さや速度などのスラグ流体力学は、マイクロ流体デバイスの性能に影響を与えるため、非常に重要です28、29、30、31。