周期干扰T型微流道流体混合之模拟分析课件

週期性干擾T型微流道流體混合之模擬分析

NumericalStudyofFluidMixinginaT-typeMicromixerSubjecttoPeriodicPressureDisturbances

邱煥釗1,2、陳志敏11國立中興大學機械工程學系2勤益科技大學機械工程學系

中國機械工程學會第二十六屆全國學術研討會成功大學台南November21&22,2009週期性干擾T型微流道流體混合之模擬分析Numerical大綱研究目的與方法統御方程式

數值方法模擬結果分析結論大綱研究目的與方法研究目的與方法目的：模擬微T型混合器加入週期性壓力干擾方式之三維動態流場現象與混合效果

方法：利用CFD軟體Fluent6.3作為數值模擬工具分析T型混合器的動態濃度場與流場研究目的與方法目的：分析假設兩流體接觸後不會產生化學反應兩種工作流體同為水，物理性質相同不可壓縮流且具有固定黏度Re<100,為層流流動分析假設兩流體接觸後不會產生化學反應統御方程式連續方程式continuityequation(1)動量方程式Navier-Stokesequations

(2)濃度分布的擴散-對流方程式Fick’slaw

(3)統御方程式連續方程式continuityequation數值方法—模型建立模型建立：由Gambit2.3所建構而成網格(Mesh)建立：均勻網格(UniformMesh)(Elements：Hex/Wedge，Type：Cooper)網格數目：控制在10萬左右數值方法—模型建立模型建立：網格獨立性測試以寬深比

AR=10(流道寬度:500μm)無壓力振盪邊界條件:入口流速Vin=0.028m/s出口壓力Pout=0流體性質:

μ=1.03e-3kg/m．s

D=1e-8m2/s網格獨立性測試以寬深比AR=10(流道寬度:500μm)不同網格數出口斷面中心線速度分佈不同網格數出口斷面中心線速度分佈數值方法—邊界條件入口條件：均勻的入口速度，左右入口設定流體A與流體B。出口條件：設定為大氣壓力，即錶壓力為0

邊界條件：壁面設定為無滑動條件(noslipcondition)左右振盪流道之振盪壓力設定為

：數值方法—邊界條件入口條件：濃度場之邊界條件

左側流道入口與左側振盪流道之濃度0，右側入口流道與右側振盪流道之濃度為1壁面為濃度通量為0(zerodiffusiveflux)即，為壁面之單位法向量。濃度場之邊界條件左側流道入口與左側振盪流道之濃度0，右側入混合器流道結構示意圖Pout=0Vin=constant邊界條件AR=b/h混合器流道結構示意圖Pout=0Vin=constant邊界數值模擬步驟使用軟體:

Fluent6.3Gambit2.3Tecplot360數值模擬步驟使用軟體:模擬參數流體性質:黏滯係數μ=1.03e-3kg/m．s

擴散係數D=1e-8m2/s幾何尺寸:出口長度:18.25mm

微流道斷面:2.5×10-2mm2

流道寬深比AR(b/h):1.6~10入口流速範圍:0.028~0.084m/s(Re=2.94~8.82)干擾壓力振盪的相位差範圍:0~π振盪頻率:0~50Hz模擬參數流體性質:黏滯係數μ=1.03e-3kg/m．s量化混合程度-定義混合效率

出口處斷面之混合效率公式：(Xiaetal.,2005)

Ci：格點i上的濃度C∞：完全混合的濃度n：格點數C=0C=1C=0.5量化混合程度-定義混合效率出口處斷面之混合效率公式：(Xi

無壓力振盪干擾時的混合情形

不同入口流速下,不同寬深比出口處數值混合效率的比較Vin(m/s)0.0280.0560.084混合效率η(%)AR=1.634.121.116.2AR=6.421.714.611.6AR=1019.312.810.0AR=10(實驗值)18.312.510

AR=6.4,不同入口流速，出口剖面之濃度分佈截面誤差0.5～5%

無壓力振盪干擾時的混合情形不同入口流速下,不同寬深比Vi壓力振盪干擾=0時的混合情形

AR=6.4，Vin=0.056m/s，出口處混合效率隨時間變化的情形。壓力振盪干擾=0時的混合情形AR=6.4，Vin=0.流場與濃度場分析AR=6.4，Vin=0.056m/s，=0，在頻率為10Hz，t=1.0s時流道中間剖面及其混合流道在各位置之流線圖。出口及中央剖面之濃度分佈圖。流場與濃度場分析AR=6.4，Vin=0.056m/s，流線圖流線圖(a)出口剖面(b)中央剖面濃度分佈圖(a)出口剖面(b)中央剖面濃度分佈圖壓力振盪干擾=0～π之混合效益AR=6.4，Vin=0.056m/s，=0～π混合效率隨頻率變化情形。AR=6.4，Vin=0.056m/s，=π，在不同之振盪頻率下，混合效率隨時間變化的情形。壓力振盪干擾=0～π之混合效益AR=6.4，Vin=0.0流場與濃度場分析(2)AR=6.4，Vin=0.056m/s，=π，在頻率為10Hz，t=1.0s時流道中間剖面及其混合流道在各位置之流線圖。出口及中央剖面之濃度分佈圖。流場與濃度場分析(2)AR=6.4，Vin=0.056m/流線圖(2)流線圖(2)濃度分佈圖(2)(a)出口剖面(b)中央剖面濃度分佈圖(2)(a)出口剖面(b)中央剖面入口流速對混合效益之影響

AR=6.4，=π，不同入口流速下之混合效率隨頻率變化的情形。入口流速對混合效益之影響AR=6.4，=π，不同入口流流道寬深比對混合效益的影響

Vin=0.056m/s，=π時，不同寬深比AR，混合效率隨頻率變化的情形。流道寬深比對混合效益的影響Vin=0.056m/s，=流場與濃度場分析(3)

AR=1.6，Vin=0.056m/s，=π，在頻率為10Hz，t=1.0s時流道中間剖面及其混合流道在各位置之流線圖。出口及中央剖面之濃度分佈圖。流場與濃度場分析(3)AR=1.6，Vin=0.056流線圖(3)流線圖(3)濃度分佈圖(3)

(a)出口剖面(b)中央剖面濃度分佈圖(3)(a)出口剖面(b)中央剖面AR=1.6，=π，入口流速對混合效益之影響。

η=96%AR=1.6，=π，入口流速對混合效益之影響。η=96AR=1.6，Vin=0.028m/s，=π，在20Hz，t=1.0s時之濃度分佈。

(a)出口剖面(b)中央剖面η=96%AR=1.6，Vin=0.028m/s，=π，在20H結論利用兩側振盪流道加入壓力干擾，確實可提高混合效率約2～5倍兩側振盪流道導入無相位差的壓力干擾，可使混合效率提高約2倍，且混合效率並不會隨頻率變化。兩側導入具有相位差之壓力干擾，則會有較佳的混合效果，並且混合效率會隨振動頻率先升高達到最佳值後會隨頻率升高而下降的趨勢。在=π時，流體界面會有最大彎曲，偏折的現象而具有最大之接觸面積，在以擴散主宰的低雷諾數流動範圍，會有最佳的混合效果。

結論利用兩側振盪流道加入壓力干擾，確實可提高混合效率約2～54.流道寬比深AR愈低，混合效率愈好。在AR=1.6時分別在軸向及橫向剖面都會產生渦流，使流體界面有摺疊(folding)，扭曲(distortion)的現象，更能幫助兩流體的混合。5.在較低的入口流速，有較長的擴散時間，可提高混合的效率。6.本研究中當流道寬深比AR=1.6，入口流速Vin=0.028m/s，兩側壓力振盪=π，兩流體的混合效率可達到η=96%。

4.流道寬比深AR愈低，混合效率愈好。在AR=1.6時報告完畢謝謝大家報告完畢