بررسی ‌اثرات‌‌ سرعت ‌‌لغزشی ‌و پرش‌ دمایی‌ برجریان‌ درون‌ میکروکانال

نوع مقاله : --

نویسندگان

1 دکتری‌مهندسی‌هوافضا، مدرس دانشکده فنی و حرفه ای علامه حسن زاده آملی

2 کارشناسی‌ارشد مهندسی ‌هوافضا، دانشگاه‌ صنعتی‌ خواجه ‌نصیرالدین ‌طوسی، تهران

3 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد تهران شمال، تهران

چکیده

میکروکانال مبدل ‌حرارتی کوچک و کارآمدی است که با تلفیق ویژگی‌های نظیر ضریب ‌انتقال ‌حرارت ‌بالا، حجم ‌سیال مورد نیاز اندک و وزن و ابعاد‌ کوچک، ابزار بسیار کارآمدی در زمینه مقاصد انتقال ‌حرارتی است. در این ‌مقاله، سرعت ‌‌لغزشی ‌و پرش‌ دمایی‌ بر جریان‌ درون‌ میکروکانال بررسی گردیده ‌است. نتایج نشان می‌دهد که در هر عدد رینولدزی سرعت‌ ‏لغزشی سبب‌ افزایش‌ سرعت نزدیک‌ ‏دیواره شده، ‏درحالیکه باعث ‏می‌شود سرعت‌ ماکزیمم در خط ‏‏‌مرکزی ‌کاهش ‌یابد. توزیع ‌سرعت در ‏میکروکانال ‏‏(سرعت ‌لغزشی) در مقایسه با ‏جریان‌ کوانتومی، پهن‌تر ‏و پخ‌تر می‌گردد. سرعت در خط ‏‏‌مرکزی ‏‏(سرعت‌ ماکزیمم) با ‏افزایش سرعت ‌لغزشی، درهر عدد رینولدزی ‌کاهش‌ ‏می‌یابد. سرعت‌ ماکزیمم ‏در ‏جریان ‌توسعه ‌یافته در حدود ‏‏25 درصد با افزایش عدد نادسن ‏تا 0/1، کاهش ‌می‌یابد، اما این اثر ‏بر روی رینولدزهای بالاتر، ‏بیشتر است.‏ در ‏اعداد نادسن و پرش‌ دمایی ‏‏‌مختلف،‎ ‎افزایش سرعت ‌لغزشی و ‏پرش‌دمایی، اثرکاهشی ‏بر روی دما در هر مقطع ‏دارد.‏ همچنین میکروکانال ‌منحنی همانند ‏میکروکانال ‌مستقیم عمل‌ می‌نماید.‏ افزایش ‌کسر حجمی ‏نانوسیال، ‏باعث افزایش ‌عدد ناسلت ‌محلی در ‏رژیم‌ جریان ‌لغزشی و رژیم ‏‏‌جریان ‌غیر لغزشی می‌شود.

کلیدواژه‌ها


[1] Ho,C.-M. and Tai, Y.-C., Micro-electro-mechanical systems(MEMS) and fluid flow. Annu. Rev. Fluid Mech. 30, 579–612, (1998).
 
[2] Morini, G. L.,. Single-phase convective heat transfer in microchannels: a review of experimental results. International Journal of Thermal Sciences. 43, 631–651, (2004).
 
[3] Stone, H.A., Stroock, A.D. and Ajdari, A.,. Engineering flows in small devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip. Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 381–411, (2004).
 
[4] Squires,T. M. and Quake, S. R.,. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of modern Physics. 77(3), 977–1026, (2005).
 
[5] Steinke, M. E. and Kandlikar, S. G.,. Single-phase liquid friction factors in microchannels. International Journal of Thermal Sciences. 45,1073–1083, (2006).
 
[6] Renksizbulut, M., Niazmand, H., Tercan, G.. Slip-flow and heat transfer in rectangular microchannels with constant wall temperature. Int. J.Therm. Sci. 45 (9), 870–881, (2006).
 
[7] Hu, G. and Li, D.,. Multiscale phenomena in microfluidics and nanofluidics. Chemical Engineering Science. 62, 3443 – 3454, (2007).
 
[8] Kraly, J. R., Holcomb, R. E., Guan, Q. and Henry, C. S.,. Review: Microfluidic applications in metabolomics and metabolic profiling. Analytica Chimica Acta. 653, 23–35, (2009).
 
[9] Rosa, P., Karayiannis, T.G. and Collins, M.W.,. Single-phase heat transfer in microchannels: The importance of scaling effects. Applied Thermal Engineering. 29, 3447–3468, (2009).
 
[10] Shao, N., Gavriilidis, A. and Angeli, P.,. Flow regimes for adiabatic gas–liquid flow in microchannels. Chemical Engineering Science64, 2749- 2761, (2009).
 
[11] Tuckerman D.B., Pease F.W.,. High-performance heat sinking for VLSI. IEEE Electron Device Lett. EDL-2, 126-129, (1981).
 
[12] Harms, T. M., Kazmierczak, M. J. and Gerner, F. M.,.Developing convective heat transfer in deep rectangular microchannels. International Journal of Heat and Fluid Flow. 20, 149-157, (1999).
 
[13] Mala, Gh. M. and Li, D.,. Flow characteristics of water in microtubes. International Journal of Heat and Fluid Flow. 20, 142-148, (1999).
 
[14] Xu B., Ooi K.T., Wong N.T. and Choi W.K.,. Experimental investigation of flow friction for liquid flow in microchannels. Int. Comm. Heat Mass Transfer. Vol. 27(8), 1165-1176, (2000).
 
[15] Judy, J., Maynes, D. and Webb, B.W.,. Characterization of frictional pressure drop for liquid flows through microchannels.International Journal of Heat and Mass Transfer. 45, 3477–3489, (2002).
 
[16] Holden, M. A., Kumar, S., Castellana, E. T., Beskok, A. and Cremer, P. S.,. Generating fixed concentration arrays in a microfluidic device. Sensors and Actuators B. 92, 199–207, (2003).
 
[17] Wu, H. Y. and Cheng, P.,. Friction factors in smooth trapezoidal silicon microchannels with different aspect ratios. International Journal of Heat and Mass Transfer. 46, 2519–2525, (2003).
 
[18] Li, H. and Olsen, M. G.,. MicroPIV measurements of turbulent flow in square microchannels with hydraulic diameters from 200 μm to 640μm. International Journal of Heat and Fluid Flow. 27, 123–134, (2006).
 
[19] Hrnjak, P. and Tu, X.,. Single phase pressure drop in microchannels. International Journal of Heat and Fluid Flow. 28, 2–14, (2007).
 
[20] Silva, G., Leal, N. and Semiao, V.,. Micro-PIV   and CFD characterization of flows in a microchannel: Velocity profiles, surface roughness and Poiseuille numbers. International Journal of Heat and Fluid Flow. 29, 1211–1220, (2008).
 
[21] Wang, H. and Wang, Y.,. Measurement of water flow rate in microchannels based on the microfluidic particle image velocimetry. Measurement. 42, 119–126, (2009).
 
[22] El-Genk, M. S. and Yang, I.-H.,. Numerical analysis of laminar flow in micro-tubes with a slip boundary. Energy Conversion and Management. 50, 1481–1490, (2009).
 
[23] Alireza Akbarinia,Simulation and Modeling of Microfluidic Systems, zur Erlangung des akademischen Grades, Vom Fachbereich für Physik, Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Bremen, (02. Juli 2012).
 
‎[24] Thaweskulchai, T. and Schulte, A.,. A Low-Cost 3-in-1 3D Printer as a Tool for ‎the Fabrication of Flow-Through Channels of Microfluidic Systems. Micromachines, 12(8), ‎p.947, (2021).
 
‎[25] Nasseri, B., Akar, S. and Naseri, E.,. Microchannels for microfluidic systems. In ‎Biomedical Applications of Microfluidic Devices (pp. 37-75). Academic Press, (2021).
 
‎[26] He, X., Wang, B., Meng, J., Zhang, S. and Wang, S.,. How to Prevent Bubbles in ‎Microfluidic Channels. Langmuir, 37(6), pp.2187-2194, (2021).
‎[27] Dincau, B., Dressaire, E. and Sauret, A.,. Pulsatile flow in microfluidic systems. ‎Small, 16(9), p.1904032, (2020).‎
 
‎[28] Riewe, J., Erfle, P., Melzig, S., Kwade, A., Dietzel, A. and Bunjes, H.,. Antisolvent ‎precipitation of lipid nanoparticles in microfluidic systems–A comparative study. ‎International journal of pharmaceutics, 579, p.119167, (2020).
 
‎[29] Jaberi, A., Monemian Esfahani, A., Aghabaglou, F., Park, J.S., Ndao, S., Tamayol, A. ‎and Yang, R.,. Microfluidic Systems with Embedded Cell Culture Chambers for High-‎Throughput Biological Assays. ACS Applied Bio Materials, 3(10), pp.6661-6671,‎ (2020).
 
‎[30] Peng, Y., Jiang, S., Xia, L., Yin, X., Yu, B. and Qian, L.,. Direct ink writing ‎combined with metal-assisted chemical etching of microchannels for the microfluidic system ‎applications. Sensors and Actuators A: Physical, 315, p.112320, (2020).
 
‎[31] Pinho, D., Carvalho, V., Gonçalves, I.M., Teixeira, S. and Lima, R.,. Visualization ‎and measurements of blood cells flowing in microfluidic systems and blood rheology: A ‎personalized medicine perspective. Journal of Personalized Medicine, 10(4), p.249,‎ (2020).
 
‎[32] Wang, S., Yang, X., Wu, F., Min, L., Chen, X. and Hou, X.,. Inner surface design ‎of functional microchannels for microscale flow control. Small, 16(9), p.1905318, (2020).
 
‎[33] Nikshad, A., Aghlmandi, A., Safaralizadeh, R., Aghebati-Maleki, L., Warkiani, M.E., ‎Khiavi, F.M. and Yousefi, M.,. Advances of microfluidic technology in reproductive ‎biology. Life Sciences, p.118767, (2020).
 
[34] Hettiarachchi, H. D. M., Golubovic, M., Worek, W. M.,  and  Minkowycz,  W.  J.,  “Three-Dimensional Laminar  Slip-Flow  and  Heat  Transfer  in  a Rectangular  Microchannel  with  Constant  Wall Temperature”,  Int. J.  Heat Mass Transfer,  Vol.  21, No. 51, , pp. 5088-5096, (2008).
 
[35] Maxwell,  J.  C.,  “On  Stresses  in  Rarefied  Gases Arising  from  Inequalities  of  Temperature”, Philosophical  Transactions  of  the  Royal  Society, Part 1, Vol. 170, , pp. 231-256, (1879).
 
[36] Versteeg,  H.  K.,  and  Malalasekera,  W.,  An Introduction  to  Computational  Fluid Dynamics, The Finite Volume Method, Henk Kaarle, (1955).
 
[37] Patankar, S. V., "Numerical heat transfer and fluid flow”,  Hemisphere  Publication  Corporation, Washington, (1980).