본 연구에서는 격자 볼츠만 방법 중 Scalar Passive 코드를 사용하여 미소채널 내에서의 수동형 믹서의 혼합에 대하여 계산을 수행하였다. 미소채널 내에서의 수동형 믹서의 혼합에 대하여 유선과 압력분포를 통해 혼합과 압력 강하를 물리적으로 규명하였으며, 혼합에 영향을 주는 인자에 대해서 알아보았다. 수동형 믹서의 경우 고정물의 간격보다는 고정물의 개수와 고정물의 크기가 혼합효율과 압력강하에 큰 영향을 주었다.
In this work, Scalar Passive code in Lattice Boltzmann Method is employed to simulate two-phase flow of low Reynolds number in a micro-channel. The mixing characteristics in a micro-channel is a function of Peclet number. The mixing length increases with the Peclet number. It is found that with the inclusion of static elements at the channel, rapid mixing of two liquids can be achieved, as shown by the results of computer simulations. The enhancement in mixing performance is thought to be caused by the generation of eddies and by lateral velocity component when the mixture flows past static elements. The results indicate that the size of static element has more effect on the mixing than the number of static element.
The 'Mixing Index($D_I$)' is used as a conventional guidance measuring the degree of mixing for multiphase flows. For the case when insoluble solutions flow in a passive micromixer, a new method to calculate $D_I$ is proposed. The 'Vortex Index(${\Omega}_I$)' is suggested and formulated. We infer that ${\Omega}_I$ relates to the degree of chaotic advection. Various arbitrary shaped microchannels were tested to calculate the $D_I\;and\;{\Omega}_I$, and then a simple algebraic equation, $D_I=Aexp(B{\Omega}_I)$, is obtained. This equation may be used instead of the conventional partial differential equation, concentration equation, to estimate the degree of mixing.
Stainless steels in general has passive film having strong corrosion resistance on surface. Therefore it must be necessarily removed by etching in mixing solution of sulfuric and chloric acid before Nitriding treatment. But in the ion nitriding, nitride layer was easily formed because passive film was removed without difficult by sputtering effect. The removal extent of these passive films was greatly effected by gas mixing ratios and pressure and holding times of pre sputtering factors in pre sputtering stage. As a results of experiment it has been known that pre sputtering pressure and holding time was not nearly effective on the formation behavior of nitride layer. But when A/H2 gas mixing ratios was 1/2 (vol%) was the most effective of the all pre sputtering conditions. It was resulted from the combination of mechanical reaction byArgon bombardment and chemical reaction by reduction of hydrogen on the passive film.
To investigate the flow related to the mixing, micro PIV measurements were performed in the middle plane of the channel. A passive micro mixer analyzed in this work has been designed in the shape of a three-dimensional microchannel and fabricated with PDMS molding process by KAIST. The mixing performance was evaluated for different flow rates using phenolphthalein and sodium hydroxide solutions. Results show that mixing is enhanced by the increase of flow rate, which yields stronger secondary flows with helical streamlines.
A micro-mixer with a quasi-active rotor was fabricated, and mixing characteristics were evaluated. The proposed micro-mixer combines an active type micro-mixer with a passive type micro-mixer. The micro-rotor, which is a moving part of an active type micro-mixer, is added in a micro-chamber of a passive type vortex micro-mixer. The rotor rotated by inflows tangent to a chamber, causing strong perturbations. The micro-mixers were fabricated using photosensitive glass. Mixing efficiency of the micro-mixers was measured using an image analysis method. Mixing efficiency and characteristics of the micro-rotor mixer were compared with the vortex micro-mixer without a rotor. Mixing efficiency was reduced as Reynolds number increased at a low Reynolds number due to decrease of residence time. Mixing efficiency at higher Reynolds number, on the other hand, was improved even though residence time decreased since the contact surface between fluids increased by twisted flow. The perturbation induced by rotating rotor at greater than Re 200 improved the efficiency of the rotor mixer.
Mixing in Y-channel micro mixer is analyzed through computational fluid dynamics. In the case of passive mixing, we investigate the effect of geometric parameters on the mixing efficiency, such as shape of throttling geometry and angle between two inlets. Mixing performance improves as two fluids join not just horizontally but both vertically and horizontally, and it also improves when channel follows throttling shapes. A numerical results substantiate the highly efficient mixing performance. It is highly beneficial to fabrication process since the proposed throttling geometry is simple, but allows high mixing ratio.
작은 장치 스케일과 낮은 Reynolds number를 수반하는 마이크로 채널에서의 혼합효율 최대화를 위하여 사각형 장애물을 이용한 Passive 마이크로 믹서의 최적 설계를 수행하였다. 이를 위해 본 연구에서는 구조가 단순한 Y-Channel내부에 사각형 장애물의 개수와 그 크기, 그리고 위치를 변화시켜가면서 비정렬 해석 기법을 이용하여 해석을 수행하였다. 또한 최대 허용 압력 강하값을 제한 조건으로 설정하여 제한조건을 만족하면서 혼합 효율을 최대화하는 Y-Channel 형상의 최적화를 수행하였다. 이를 통하여 2개의 사각형 장애물을 사용할 경우 원형 장애물의 결과와 비교했을 때 최대 2.5% 혼합 효율이 향상됨을 확인하였다.
마이크로 믹서는 랩-온-어-칩이나 마이크로 유체 기기의 하나의 구성품으로 두 가지의 화학 물질을 혼합(융합)하는 장치이다. 본 연구는 다양한 형상의 패시브 마이크로 믹서의 성능을 평가하는 것을 목적으로 한다. 다양한 형상의 마이크로 믹서는 총 6가지의 형상을 비교하였고, 서로 동일한 수력 직경을 갖도록 3차원 모델링하였다. 내부 혼합 유동을 전산모사하기 위해여 상용 유동해석 프로그램인 ANSYS Fluent를 사용하였다. 수치해석 방법은 본 논문에 자세하게 기술하였다. 마이크로 믹서의 성능 평가는 혼합 지수와 압력 강하로 비교하였고, 결론적으로 CDM-8T은 합리적인 혼합성능과 상대적으로 낮은 압력 강하를 갖는 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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