Μελέτη της ροής σε ανοιχτούς κεκλιμένους μικροαγωγούς
Authors: Αναστασίου Αντώνιος 
Published: September 2021

Το ολοένα και αυξανόμενο ενδιαφέρον για τις μικροσυσκευές καθώς και τα πλεονεκτήματα που εμφανίζει η χρήση τους αποτέλεσαν τα κίνητρα για τη διεξαγωγή της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν οι λειτουργικές παράμετροι μιας από τις πιο σημαντικές μικροσυσκευές διφασικής ροής; Του μικροαντιδραστήρα ελευθέρως ρέουσας στιβάδας. Έπειτα από εκτενή βιβλιογραφίκη ανασκόπηση βρέθηκε ότι το πάχος της σχηματιζόμενης υγρής στιβάδας (Η) καθώς και το σχήμα της διεπιφάνειας υγρού-αερίου αποτελούν τις βασικότερες σχεδιαστικές μεταβλητές αυτών των συσκευών. Με στόχο λοιπόν τη μελέτη των παραμέτρων που επηρεάζουν τις δύο αυτές μεταβλητές μελετήθηκαν τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά (κώδικας υπολογιστικής ρευστοδυναμικής), τα γεωμετρικά και ρευστοδυναμικά χαρακτηριστικά της υγρής φάσης σε ανοιχτούς κεκλιμένους μικροαγωγούς. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε τρία μικροκανάλια τετραγωνικής διατομής και πλάτους 1200, 600 και 300 μm ενώ για την μελέτη της επίδρασης των φυσικώ ιδιοτήτων της υγρής φάσης χρησιμοποιήθηκαν υδατικά διαλύματα γλυκερίνης (επίδραση ιξώδους), υδατικά διαλύματα βουτανόλης (επίδραση επιφανειακής τάσης) και νερό ως ρευστό αναφοράς. Βασική καινοτομία της εργασίας αποτελεί το γεγονός ότι για την πραγματοποίηση των μετρήσεων μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την μέτρηση της ταχύτητας (μ-PIV) τροποποιήθηκε και χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς για την μελέτη των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της ελευθέρως ρέουσας στιβάδας με σχετικά υψηλή ακρίβεια. Με αυτή την μέθοδο είναι πλέον δυνατόν να γίνει ανακατασκευή της διεπιφάνειας και να μετρηθεί το πάχος του υγρού υμένα. Η μελέτη των περιοχών ροής ανέδειξε την παρουσία τριών προτύπων ροής: ροή στα άκρα του μικροαγωγού, ροή με στεγνές κηλίδες και πλήρως ανεπτυγμένη ροή του υμένα. Κατά τη μελέτη του σχήματος της διεπιφάνειας παρατηρήθηκε ότι σε τόσο μικρές διαστάσεις η επίδραση των φαινομένων επιφανείας αυξάνεται και ότι λόγω τριχοειδών δυνάμεων η διεπιφάνεια παίρνει το σχήμα ρέοντος μηνίσκου. Για όλες τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν βρέθηκε ότι το σχήμα του μηνίσκου μπορεί να περιγραφεί με μεγάλη ακρίβεια από ένα πολυώνυμο δευτέρου βαθμού (1η σχεδιαστική εξίσωση). Επίσης βρέθηκε ότι το πάχος της υγρής στιβάδας εξαρτάται άμεσα από τις ιδιότητες της υγρής φάσης και κατά κύριο λόγο από το ιξώδες. Επιπρόσθετα κρίσιμης σημασίας φαίνεται να είναι και το πλάτος του μικροαγωγού, καθώς αυτό μειώνεται το πάχος της υγρής στιβάδας παρουσιάζει δραματική αύξηση. Έπειτα από διαστατική ανάλυση βρέθηκε ότι πάχος είναι συνάρτηση τριών αδιάστατων αριθμών; Reynolds, Froude & Capillary. Με βάση αυτό διατυπώθηκε η δεύτερη σχεδιαστική εξίσωση. Εκτός από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά μελετήθηκε και η ταχύτητα της υγρής φάσης. Το πιο ενδιαφέρον από τα ευρήματα των μετρήσεων είναι η απόκλιση που παρουσιάζεται σε ορισμένες περιπτώσεις από το κλασσικό παραβολικό προφίλ της ταχύτητας. Συγκεκριμένα βρέθηκε ότι σε χαμηλές παροχές υγρού το προφίλ της ταχύτητας παρουσιάζει δύο μέγιστα και έτσι έχει ένα “M” σχήμα. Η εμφάνιση αυτού του προφίλ συνδέθηκε με τον λόγο ύψος μηνίσκου / πάχος υγρή στιβάδας (εμφανίζεται για λόγους> 1.1). Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώθηκαν και από τα δεδομένα της αριθμητικής προσομοίωσης. Συγκεντρώνοντας όλα τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής είμαστε σε θέση να προτείνουμε μια ολοκληρωμένη στρατηγική σχεδιασμού ενός μικροαντιδραστήρα ελευθέρως ρέουσας στοιβάδας.