Amélioration des performances de mélange à l'aide d’un micromélangeur de canaux courbés et serpentins

Abstract

Abstract Passive micromixers are widely used in various industrial applications. Laminar mixing at low Reynolds number is of major importance in some processes. The implementation of the physical phenomenon of chaotic advection to improve mixing efficiency is a well established technique. Therefore, the secondary flows resulting from this technique are very intense and act at the microscopic level on the homogenization. This study aims to compare different configurations of passive micromixers with different curved radius (R=0.15 mm, R=0.2 mm, R=0.3 mm, R=0.4 mm, and R=0.5 mm). The five micromixers examined have the same hydraulic diameter and equivalent unfolded length. The numerical simulations were performed for Reynolds numbers ranging from Re = 1 to Re = 300. Using the CFD code Fluent to solve the momentum equations, the continuity equation and the species transport equation. The mixing efficiency was evaluated by calculating the mixing index (MI) based on the standard deviation of the mass fraction in different cross sections. To examine the results obtained, the mass fraction distributions, the mixing index variations and the mixing energy cost (MEC) were presented. The results show that the micromixer with (R = 0.15 mm) has the highest mixing index for all the considered Reynolds number values , it also has a higher mixing energy cost than the other studied micromixers . Résumé Les micromélangeurs passifs sont largement utilisés dans diverses applications industrielles. Le mélange en régime laminaire et à faible nombre de Reynolds est d'une importance majeure dans certains procédés. La mise en œuvre du phénomène physique d'advection chaotique pour améliorer l'efficacité du mélange est une technique bien établie. Par conséquent, les écoulements secondaires résultant de cette technique sont très intenses et agissent au niveau microscopique sur l'homogénéisation. Cette étude vise à comparer différentes configurations de micromélangeurs passifs de différents rayons de courbures (R=0,15 mm, R=0,2 mm, R=0,3 mm, R=0,4 mm, et R=0,5 mm). Les cinq micromélangeurs examinés ont le même diamètre hydraulique et une longueur dépliée équivalente. Les simulations numériques ont été réalisées pour des nombres de Reynolds allant de Re = 1 à Re = 300. En utilisant le code CFD Fluent pour résoudre les équations de quantité de mouvement, l'équation de continuité et l'équation de transport des espèces. L'efficacité du mélange a été évaluée par le calcul de l'indice de mélange (MI) sur la base de la déviation standard de la fraction massique dans différentes sections transversales. Pour examiner les résultats obtenus, les distributions de la fraction massique, la variation de l’indice de mélange et le coût énergétique de mélange (MEC) ont été présentés. Les résultats montrent que le micromélangeur avec un rayon de courbure (R = 0,15 mm) a un indice de mélange le plus élevé pour toutes les valeurs du nombre de Reynolds considéré, il a également un coût énergétique de mélange supérieur aux autres micromélangeurs étudiés. ملخص: تستخدم أجهزة املزج الدقيق السلبي على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية. يعتبر الخلط الرقائقي وأرقام رينولدز ذاتأهمية كبيرة في عمليات معينة. يعد تنفيذ الظاهرة الفيزيائية للتأخير الفوضوي لتحسين كفاءة الخلط تقنية راسخة. وبالتالي، فإن التدفقات الثانوية الناتجة عن هذه التقنية شديدة للغاية وتعمل على املستوى املجهري على التجانس. تهدف هذه الدراسة إلى مقارنة التكوينات املختلفة للمزج الدقيق السلبي بنصف قطر مختلف لالنحناء (R = 0.15مم ،R = 0.2مم ،R = 0.3مم ،R = 0.4مم ، R = 0.5مم). تتميز أجهزة املزج الدقيق الخمسة التي تم فحصها بنفس القطر الهيدروليكي وطول مكشوف مكافئ. تم إجراء محاكاة عددية ألرقام رينولدز التي تتراوح منRe = 1إلىRe = 300. استخدام كودCFD Fluent لحل معادالتكمية الحركةومعادلة االستمرارية ومعادلة نقل األنواع. تم تقييم كفاءة الخلط من خالل حساب مؤشر الخلط (MI) بناء ً على االنحراف املعياري لكسر الكتلة في املقاطع العرضية املختلفة. لفحص النتائج التي تم الحصول عليها تم عرض توزيعات الكسر الكتلي وتغير معامل الخلط وتكلفة طاقة الخلط (MEC). أظهرت النتائج أن جهاز املزج الدقيق بنصف قطر انحناء (R = 0.15مم) يحتوي على أعلى مؤشر خلط لجميع قيم رقم رينولدز املعتبرة، كما أنه يحتوي على تكلفة طاقة خلط أعلى من أجهزة املزج الدقيقاألخرى التي تمت دراستها