Analiza przejścia laminarno-turbulentnego w mikrokanałach

• Autorzy: Błoński S.

Warianty tytułu

EN

Analysis of laminar-turbulent transition in micro-channels

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przeprowadzono mikroskopowe pomiary pól prędkości (PIV - micro Particle Image Velocimetry) celem zbadania przejścia laminarno-turbulentnego w mikro kanałach. Badania przeprowadzono w dwóch konfiguracjach dla przepływu dejonizowanej wody z fluorescencyjnymi cząstkami wskaźnikowymi. W pierwszej konfiguracji będącej laboratoryjnym modelem emulsyfikatora zbadano charakter przepływu w mikrokanale utworzonym w formie krótkiej (1mm) szczeliny o wysokości 400. Analiza pól prędkości przeprowadzona w mikro kanale w szerokim zakresie liczb Reynoldsa (991 - 6770) wykazała, że przepływ osiągając prędkości bliskie 20 m/s (co odpowiadało liczbie Reynoldsa równej 6770) pozostawał nadal laminarny. Tak wysoka liczba Reynoldsa nie zapewniała turbulizacji przepływu która, jak zostało pokazane, rozpoczyna się dopiero w kanale wylotowym emulsyfikatora. Fakt ten został potwierdzony w symulacjach numerycznych wykonanych metodą bezpośredniego rozwiązywania równań Naviera-Stokesa (DNS). Niewątpliwie dla przypływów w krótkich mikro kanałach ma miejsce wyraźne przesuniecie krytycznej liczby Reynoldsa w kierunku wyższych wartości. Otrzymany rezultat ma bezpośrednie zastosowanie w modelowaniu procesów emulsyfikacji, konstrukcji tłumików turbulencji czy wymienników ciepła opartych na przepływie przez mikro otwory. Drugim rozpatrywanym układem przepływowym jest długi i płaski mikro kanał z wprowadzonym poprzecznym pofalowaniem ścianek. Pomiary wykonane metodą PIV oraz przeprowadzone symulacje numeryczne pozwoliły na stwierdzenie, że odpowiednio wykonane pofalowanie ścianek, nie wprowadzając dodatkowych oporów hydraulicznych, prowadzi do znacznej redukcji krytycznej liczby Reynoldsa, przy której następuje destabilizacja przepływu i wzmacnianie początkowych zaburzeń. Stwierdzono, że przepływ w kanale o pofalowanych ściankach ulega destabilizacji już dla liczby Reynoldsa poniżej 100. Generowany przepływ o złożonej trójwymiarowej formie i skomplikowanych strukturach wirowych może w znacznym stopniu zwiększyć intensywność procesów wymiany ciepła i masy zachodzących w mikrosystemach przy małych liczbach Reynoldsa.

EN

Microscopic particle image velocimetry (PIV) experiments were performed to investigate laminar-turbulent transition in micro-channels. Flow of deionised water mixed with fluorescent seed particles was used as the working fluid in two investigated configurations. In the first configuration short (1mm) micro-channel of 400 height was formed by a slit of an emulsifier. PIV flow analysis performed for Reynolds numbers ranging from 991 to 6770 gave no evidence of transition to turbulence in the micro-channel. The initial transition to turbulent flow was observed only at the micro-channel exit and developed to fully turbulent flow several millimetres behind it. Our experimental analysis was confirmed by numerical simulations (DNS). Obviously laminar-turbulent transition for the flow in short micro-channels must be shifted into higher Reynolds numbers. This result has importance for modelling industrial emulsifiers, construction of turbulence dampers and heat exchangers based on the flow through micro orifices. In the second configuration flow in a long and flat rectangular micro-channel is investigated numerically and experimentally. It was found that due to the unique transversal sinusoidal wall corrugation we may achieve drastic reduction of the critical Reynolds number and flow destabilization occurs already at the Reynolds number about 100. Numerical simulations (DNS) and experimental analysis using PIV technique gave evidence that the introduced wall waviness generates spanwise instabilities propagating along the channel and disturbing the flow structure. The new unstable flow pattern, which emerges from the unstable mode has complex three-dimensional structure promoting mixing properties of the channel flow. The low Reynolds number destabilization of the flow through the wavy channel can be used for optimization and efficiency enhancement of the micro-mixers, micro-heat-exchangers and chemical micro-reactors.

Słowa kluczowe

PL

modele matematyczne; turbulencja; mikrokanał

EN

micro-channel; turbulence; mathematical models

• Wydawca: Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Czasopismo: Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Rocznik: 2009
• Tom: nr 2
• Strony: 3--153
• Opis fizyczny: Bibliogr. 80 poz.

Twórcy

autor

Błoński S.

Bibliografia

• [1] A. Mazurkiewicz (red.). Nanonauka i nanotechnologia - narodowa strategia dla Polski. Raport Interdyscyplinarnego Zespołu do Spraw Nanonauki i Nanotechnologii przy Ministerstwie Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Warszawa 2006.
• [2] K.R. King, S. Wang, D. Irimia, A. Jayaramn, M. Toner, M. Yarmush. A high-throughput microfluidic realtime gene expression living cell array. Lab on Chip, 7(1). pp. 77-85, 2007.
• [3] D.M. Roberge, B. Zimmermann, F. Rainone, M. Gottsponer, M. Eyholzer, N. Kockmann. Microreactor technology and continuous processes in the fine chemical and pharmaceutical industry: is the revolution underway? Organic Process Research and Development, 12(5). pp. 905-910, 2008.
• [4] J.A. Dziuban. Mikroinżynieria krzemu i szkła dla chemicznych i biochemicznych mikrochipów fluidycznych typu MEMS. I Krajowa Konferencja Nano- i Mikromechaniki. Krasiczyn, 8-12 lipca, 2008.
• [5] S. Bargiel, J. Dziuban, R. Walczak, P. Knapkiewicz, L. Nieradko, A. Grzegorska, B. Latecki. NIR micro spectrometry of chemically aggressive fluids. The 11th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS 2007). Paris, France, 7-11 October, 2007.
• [6] O.A. Scholz, A. Wolff, A. Schumacher, L.I. Giannola, G. Campisi, T. Ciach, T. Velten. Drug delivery from the oral cavity: focus on a novel mechatronic delivery device. Drug Discovery Today, 13(5-6). pp. 247-253, 2008.
• [7] N.T. Nguyen, Z. Wu. Micro-mixers – a review. Journal of Micromechanics and Microengineering, 15(2). pp. 1-16, 2005.
• [8] Y. Liu, M.G. Olsen, R.O. Fox. Turbulence in a microscale planar confined impinging-jets reactor. Lab on Chip, 9(8). pp. 1110-1118, 2009.
• [9] H. Herwig. Flow and heat transfer in micro systems: Is everything different or just smaller? ZAMM - Z. Angew. Math. Mech, 82(9). 2002.
• [10] J.L. Lumley. Some comments on turbulence. Physics of Fluids A, 4(2). pp. 203-211, 1992.
• [11] Strona internetowa: http://www.universalleonardo.org/trail.php?trail=346&work=336.
• [12] R. Temam. Navier-Stokes Equations. North-Holland, 2nd ed. 1977.
• [13] D. Ruelle, F. Takens. On the nature of turbulence. Comm. Math. Phys., 20. 1971.
• [14] N. Rott. Note on the history of the Reynolds Number. Annul Review of Fluid Mechanics, 22. pp. 1-11, 1990.
• [15] U. Frish. Turbulence – the legacy of A.N. Kolmogorov. Cambridge University Press. 1995.
• [16] O. Reynolds. On the dynamical theory of incompressible viscous fluids and the determination of the criterion. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. A, 186. pp. 123-164, 1895.
• [17] A.N. Kolmogorov. Dissipation of energy in locally isotropic turbulence. First published in Russian in Dokl. Akad. Nauk SSSR 32(1), 1941; English translation in Proc. R. Soc. Lond. A, 434(1890). pp. 15-17, 1991.
• [18] P.M. Korczyk. Drobnoskalowa turbulencja w procesie mieszania chmury z otoczeniem – model laboratoryjny. Rozprawa doktorska. Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa 2008.
• [19] T.A. Kowalewski, S. Blonski. Turbulence in micro-channels. 7th Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. Krakow, Poland, June 28 - July 03, 2009.
• [20] X.F. Peng, G.P. Peterson. Frictional flow characteristics of water flowing through rectangular microchannels. J. Exp. Heat Transfer, 7(4). pp. 249-264, 1995.
• [21] X.F. Peng, G.P. Peterson. Convective heat transfer and flow friction for water flow in microchannel structures. International Journal of Heat and Mass Transfer, 39(12). pp. 2599-2608, 1996.
• [22] G.M. Mala, D. Li. Flow characteristics of water in microtubes. International Journal of Heat and Fluid Flow, 20(2). pp. 142-148, 1999.
• [23] P.L. Young, T.P. Brackbill, S.G. Kandlikar. Comparison of roughness parameters for various microchannel surfaces in single-phase flow applications. Heat Transfer Engineering, 30(1-2). pp. 78-90, 2009.
• [24] S.G. Kandlikar, D. Schmitt, A.L. Carrano, J.B. Taylor. Characterization of surface roughness effects on pressure drop in single-phase flow in minichannels. Physics of Fluids, 17(10). Article Number 100606, 2005.
• [25] S.G. Kandlikar. Roughness effects at microscale – reassessing Nikuradse’s experiments on liquid flow in rough tubes. Bull. Pol. Ac.: Tech., 53(4). pp. 343-349, 2005.
• [26] J.B. Taylor, A.L. Carrano, S.G. Kandlikar. Characterization of the effect of surface roughness and texture on fluid flow - past, present, and future. International Journal of Thermal Sciences, 45(10). pp. 962-968, 2006.
• [27] J.G. Santiago, S.T. Wereley, C.D. Meinhart, D.J. Beebe, R.J. Adrian. A particle image velocimetry system for microfluidics. Experiments in Fluids, 25(4). pp. 316-319, 1998.
• [28] H. Li, R. Ewoldt, M.G. Olsen. Turbulent and transitional velocity measurements in a rectangular microchannel using microscopic particle image velocimetry. Experimental Thermal and Fluid Science, 29. pp. 435–446, 2005.
• [29] H. Li, M.G. Olsen. MicroPIV measurements of turbulent flow in square microchannels with hydraulic diameters from 200μm to 640μm. International Journal of Heat and Fluid Flow, 27. pp. 123–134, 2006.
• [30] K.V. Sharp, R.J. Adrian. Transition from laminar to turbulent flow in liquid filled microtubes. Experiments in Fluids, 36(5). pp. 741–747, 2004.
• [31] G.P. Celata, M. Cumo, S. McPhail, G. Zummo. Characterization of fluid dynamic behaviour and channel wall effects in microtube. International Journal of Heat and Fluid Flow, 27(1). pp. 135-143, 2006.
• [32] W. Wibel, P. Ehrhard. Experiments on liquid pressure-drop in rectangular microchannels, subject to non-unity aspect ratio and finite roughness. Proc. Int. Conf. Nano-, Micro-, Minichannels (ICNMM2006), no. 96116. Limerick, Ireland, June 19-21, 2006.
• [33] C. Rands, B.W. Webb, D. Maynes. Characterization of transition to turbulence in microchannels. International Journal of Heat and Mass Transfer, 49. pp. 2924–2930, 2006.
• [34] W. Wibel, P. Ehrhard. Experiments on the laminar/turbulent transition of liquid flows in rectangular microchannels. Heat Transfer Engineering, 30(1-2). pp. 70-77, 2009.
• [35] H. Szewczyk. Liquid flow in smooth capillary pipes. Chemical and Process Engineering, 29(2). pp. 403-424, 2008.
• [36] M. Raffel, C. Willert, J. Kompenhans. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. Springer-Verlag. Berlin 1998.
• [37] C. Tropea, A.L. Yarin, J.F. Foss (Eds.). Handbook of experimental fluid mechanics. Springer-Verlag. Berlin 2007.
• [38] B.P. Ho, L.G. Leal. Inertial migration of rigid spheres in two-dimensional unidirectional flows. J. Fluid Mech., 65(2). pp.365-400, 1974.
• [39] J.S. Guasto. Micro- and nano-scale colloidal dynamics near surfaces. PhD thesis. Microfluidics Laboratory, Division of Engineering, Brown University, Providence, August 2008.
• [40] J. Banaszek, T.A. Kowalewski, P. Furmański, M. Rebow, A. Cybulski, T.S. Wiśniewski. Konwekcja naturalna z przemianą fazową w układach jednoskładnikowych i binarnych. Prace IPPT 3/2000. IPPT PAN, Warszawa 2000.
• [41] G. Quenote, J. Pakleza, T.A. Kowalewski. Particle Image Velocimetry with Optical Flow. Experiments in Fluids, 25(3). pp. 177-189, 1998.
• [42] M.M. Mielnik, L.R. Saetran. Micro Particle Image Velocimetry - an overview. Turbulence, 10. pp. 83-90, 2004.
• [43] S. Błoński, P. Korczyk, T.A. Kowalewski. Eksperymentalna i numeryczna analiza procesu mieszania w mikro-kanale. I Kongres Mechaniki Polskiej. Warszawa, 28-31 sierpnia, 2007.
• [44] C.D. Meinhart, S.T. Wereley, M.H.B. Gray. Volume illumination for two-dimensional particle image velocimetry. Measurement Science & Technology, 11(6). pp. 809-814, 2000.
• [45] K.S. Breuer (Ed.). Microscale Diagnostic Techniques. Springer-Verlag. 2005.
• [46] M. Pluta. Mikroskopia optyczna. PWN. Warszawa 1982.
• [47] K. Shinohara, Y. Sugii, A. Aota, A. Hibara, M. Tokeshi, T. Kitamori, K. Okamoto. High-speed micro-PIV measurements of transient flow in microfluidic devices. Measurement Science & Technology, 15(10). pp. 1965-1970, 2004.
• [48] S. Blonski, P.M. Korczyk, T.A. Kowalewski. Analysis of turbulence in a micro-channel emulsifier. International Journal of Thermal Science, 46(11). pp. 1126-1141, 2007.
• [49] S. Blonski, T.A. Kowalewski. PIV analysis of turbulent flow in a micro-channel. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 45(3). pp. 489-503, 2007.
• [50] J. Westerweel. Efficient detection of spurious vectors in particle image velocimetry data. Experiments in Fluids, 16(3-4). pp. 236-247, 1994.
• [51] P. Domagalski, M. Dziubinski, S. Blonski, T.A. Kowalewski. Zastosowanie ogniskowania hydrodynamicznego jako modyfikacji techniki micro-PIV. I Krajowa Konferencja Nano- i Mikromechaniki. Krasiczyn, 8-12 lipca, 2008.
• [52] T.A. Kowalewski, S. Błoński, P. Korczyk. Eksperymentalna analiza przepływów w skali mikro i nano. Wybrane zagadnienia przepływu płynów i wymiany ciepła. Praca zbiorowa pod redakcją W. Sucheckiego, pp. 127-149, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2008.
• [53] Fluent 6. User's Guide. Fluent Inc., Lebanon, NH, 2002.
• [54] Department Mosix Cluster, http://fluid.ippt.gov.pl/mosix/.
• [55] R. Gryboś. Podstawy mechaniki płynów. PWN 1998.
• [56] S.V. Pantakar. Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere Publishing Corporation. Washington 1980.
• [57] J.H. Ferziger, M. Peric. Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer. 1999.
• [58] J.W. Elsner. Turbulencja przepływów. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa 1987.
• [59] D. Wilcox. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries. California 2006.
• [60] G. Brenn (project coordinator). Emulsions with nanoparticles for new materials. Scientific report of EMMA Project. Graz University of Technology, 2005.
• [61] H. Steiner, R. Teppner, G. Brenn, N. Vankova, S. Tcholakova, N. Denkov. Numerical simulation and experimental study of emulsification in a narrow-gap homogenizer. Chemical Engineering Science, 61(17). pp. 5841–5855, 2006.
• [62] Duke Scientific Corporation, strona internetowa: http//www.dukescientific.com.
• [63] G.K. Batchelor. Pressure fluctuations in isotropic turbulence. Proc. Cambridge Phil. Soc., 47. pp. 533-559, 1951.
• [64] G.I. Taylor. The formation of emulsion in definable field of flow. Proc. R. Soc. Lond. A, 146(858). pp. 501-505, 1934.
• [65] J.O. Hinze. Fundamentals of the hydrodynamic mechanism of splitting in dispersion process. AIChE J., 1. pp. 289-295, 1955.
• [66] J.T. Davis. Drop size of emulsions related to turbulent energy dissipation rates. Chemical Engineering Science, 40. pp. 839-842, 1985.
• [67] P.J. Roache. Verification and validation in computational science and engineering. Hermosa Publishers. Albuquerque, NM, 1998.
• [68] Cha’o-Kuang Chen, Ching-Chang Cho. A combined active/passive scheme for enhancing the mixing efficiency of microfluidic devices. Chemical Engineering Science, 63(12). pp. 3081-3087, 2008.
• [69] X. Lia, G. van der Steena, G.W.K. van Dedema, L.A.M. van der Wielena, M. van Leeuwena, W.M. van Gulika, J.J. Heijnena, E.E. Krommenhoekb, J.G.E. Gardeniersb, A. van den Bergb and M. Ottens. Improving mixing in microbioreactors. Chemical Engineering Science, 63(11). pp. 3036-3046, 2008.
• [70] H. Chun, H.C. Kim, T.D. Chung. Ultrafast active mixer using polyelectrolytic ion extractor. Lab on Chip, 8(5). pp. 764 - 771, 2008.
• [71] J. Szumbarski. Instability of viscous incompressible flow in a channel with transversely corrugated walls. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 45(3). pp. 659-683, 2007.
• [72] T.A. Kowalewski, J. Szumbarski, S. Blonski. Low-Reynolds-Number instability of the laminar flow between wavy walls. Proc. of ASME ICNMM2008. CD-ROM proceedings ISBN 0-7918-3826-9, paper 62070, pp. 1-8, TU Darmstadt, Germany, 2008.
• [73] J. Szumbarski, S. Błoński, T.A. Kowalewski. Symulacje numeryczne destabilizacji przepływu wywołanej pofalowaniem ścianek. I Kongres Mechaniki Polskiej. Warszawa, 28-31 sierpnia 2007.
• [74] L.D. Landau, E.M. Lifszyc. Hydrodynamika. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 1994.
• [75] A.K. Prasad, R.J. Adrian, C.C. Landreth, P.W. Offutt. Effect of resolution on the speed and accuracy of particle image velocimetry interrogation. Experiments in Fluids, 13(2-3). pp. 105-116, 1992.
• [76] A. Einstein. On the movement of small particles suspended in a stationary liquid demanded by the molecular-kinetic theory of heat. Theory of the Brownian Movement. Dover Publications Inc, New York, pp. 1-18, 1905.
• [77] R. Puzyrewski, J. Sawicki. Podstawy mechaniki płynów i hydrauliki. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 1998.
• [78] J.O. Hinze. Turbulence. McGraw-Hill. New York 1975.
• [79] P. Saarenrinne, M. Piirto. Turbulent kinetic energy dissipation rate estimation from PIV velocity vector fields. Experiments in Fluids. [Suppl.] S300-S307, 2000.
• [80] Nieopublikowane informacje uzyskane od J. Szumbarskiego. Warszawa 2008.