Simulation numérique de dynamique des fluides de deux

Apr 13, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9483 (2023) Citer cet article

763 accès

1 Citation

Détails des métriques

Dans les travaux de recherche en cours, le comportement d'écoulement d'un processus d'extraction liquide-liquide (LLE) dans un microcanal serpentin a été analysé. La simulation a été réalisée à l’aide d’un modèle 3D et les résultats se sont avérés cohérents avec les données expérimentales. L'impact du flux de chloroforme et d'eau sur le modèle de flux a également été examiné. Les données indiquent qu'une fois que les débits des phases aqueuse et organique sont faibles et similaires, un modèle d'écoulement en bouchons est observé. Cependant, à mesure que le débit global augmente, l’écoulement en bouchons se transforme en écoulement en bouchon parallèle ou en écoulement de gouttelettes. Une augmentation des flux aquatiques tout en maintenant un débit de phase organique constant entraîne une transition de l'écoulement en bouchons vers un écoulement de gouttelettes ou un écoulement en bouchon. Enfin, les modèles de débit dans le micro-canal serpentin ont été caractérisés et représentés. Les résultats de cette étude fourniront des informations précieuses sur le comportement des modèles d’écoulement diphasique dans les dispositifs microfluidiques serpentins. Ces informations peuvent être utilisées pour optimiser la conception de dispositifs microfluidiques pour diverses applications. En outre, l'étude démontrera l'applicabilité de la simulation CFD pour étudier le comportement des fluides dans les dispositifs microfluidiques, ce qui peut constituer une alternative rentable et efficace aux études expérimentales.

L'utilisation de systèmes liquide-liquide (LL) biphasés est répandue dans le traitement chimique, par exemple la polymérisation, la nitration, la chloration et l'extraction réactive et par solvant1,2,3,4,5. Ces procédures sont principalement entravées par les limitations du transport, telles que les faibles taux de transfert de masse6,7,8. Pour surmonter ces limites, la miniaturisation a été reconnue comme une méthode prometteuse d’intensification des procédés, en réduisant la résistance au transport et en augmentant les taux de transport9,10,11. L'utilisation de micro-espaces dans les appareils peut entraîner des taux de transfert de chaleur et de masse élevés12,13,14,15,16,17. La fraction zone interfaciale/volume plus élevée dans les schémas binaires à micro-échelle par rapport aux systèmes à macro-échelle entraîne des taux de transfert de chaleur et de masse améliorés et une efficacité de processus accrue, qui peut être supérieure d'un ordre de grandeur par rapport aux systèmes conventionnels. De plus, la facilité de mise à l’échelle de la sécurité et la réduction des besoins en stocks, en particulier pour les systèmes utilisant des produits chimiques risqués et exclusifs, rendent les dispositifs microfluidiques appropriés à un large éventail d’applications. L'efficacité d'un système spécifique dans les microcanaux LL dépend grandement des schémas d'écoulement des deux liquides non miscibles 18,19,20,21.

Les modèles d'écoulement microfluidique font référence au comportement du fluide dans des canaux ou des dispositifs à micro-échelle. Trois flux principaux, parallèles, de gouttelettes et de bouchons, se produisent dans les systèmes microfluidiques. Les cartes de débit montrent graphiquement ces flux principaux par rapport au débit de deux phases. Comprendre les modèles de flux microfluidiques est important pour concevoir et optimiser des dispositifs microfluidiques pour des applications spécifiques. En contrôlant le modèle d'écoulement, les chercheurs peuvent manipuler le comportement des fluides dans des canaux à micro-échelle et développer des dispositifs capables d'effectuer des réactions chimiques, des séparations et des détections précises22,23,24.

Plusieurs modèles d'écoulement LL ont été examinés dans des outils microfluidiques en fonction de facteurs tels que la taille et la forme des micro-canaux, les caractéristiques physiques des liquides (par exemple la viscosité et la tension superficielle), le débit, le rapport d'écoulement des liquides et le comportement de mouillage des liquides. les parois des micro-canaux25,26,27. Les modèles d'écoulement LL habituels maximaux dans les microcanaux biphasés comprennent l'écoulement en bouchons, l'écoulement en bouchon et l'écoulement en gouttelettes. L'écoulement des bouchons est favorisé pour de nombreux systèmes en raison de la rotation intérieure à l'intérieur des bouchons de deux phases et de la diffusion entre les bouchons contigus. Néanmoins, la séparation complète des phases à l’intérieur de l’outil microfluidique reste un défi dans les régimes d’écoulement par bouchons. L’hydrodynamique des limaces, telle que leur longueur et leur vitesse, revêt une importance considérable car elles affectent les performances des dispositifs microfluidiques28,29,30,31.