Очистка микроканала внешним ламинарным потоком

Людмила Сергеевна Клименко (Lyudmila S. Klimenko), Борис Сергеевич Марышев (Boris S. Maryshev)

Аннотация


Работа посвящена исследованию процесса очистки микроканала, загрязненного осаждающимися на его стенки частицами примеси. Основной и самой распространенной причиной засорения микроканалов является сорбция частиц примеси стенками пор или «физическая сорбция». В настоящей работе описана задача о дрейфе твердых невзаимодействующих между собой частиц в микроканале, которые могут прилипать к его стенкам под действием сил Ван дер Ваальса и отрываться от стенки возникающим со стороны потока вязким напряжением. Между входом и выходом из канала задан постоянный перепад давления. В начальный момент времени стенки канала загрязнены налипшими частицами, т.е. стенки не ровные, что влияет на формирование структуры течения через канал. Со временем под действием вязких напряжений частицы отрываются от стенок канала, обусловливая его очистку. Учет взаимодействия оторвавшихся частиц с потоком производится в приближении Стокса. Кроме этого, в модели учтены случайные блуждания, вызванные диффузией. Задача решена численно в рамках модели случайных блужданий. Получена эволюция течения жидкости в канале при его очистке: поля функции тока, давления и завихренности. Определены зависимости концентрации осевших частиц от скорости потока и силы связи частиц со стенкой. Исследована зависимость расхода через поперечное сечение канала от концентрации осевших частиц. Произведены оценки времени очистки канала.


Ключевые слова


метод случайных блужданий; осаждение частиц; микрофлюидные системы; очистка микроканалов

Полный текст:

PDF

Литература


Flowers B. S., Hartman R. L. Particle handling techniques in microchemical processes. Challeng-es, 2012, vol. 3, pp. 194–211.

Gothsch T. et al. Effect of microchannel geometry on high pressure dispersion and emulsification. Chemical Engineering and Technology, 2011, vol. 34, no. 3, pp. 335–343.

Frey J., Schmitz P., Dufreche P., Pinheiro I. G. Particle deposition in porous media: analysis of hydrodynamic and weak inertial effects. Transport in Porous Media, 1999, vol. 37, pp. 25–54.

Mays D. C., Hunt J. R. Hydrodynamic aspects of particle clogging in porous media. Environmental Science and Technology, 2005, vol. 39, pp. 577–584.

Sharp K., Adrian R. On flow-blocking particle structures in microtubes. Microfluidics and Nanofluidics, 2005, vol.1, pp. 376–380.

Agbangla G. C., Climent E., Bacchin P. Experimental investigation of pore clogging by microparticles: Evidence for a critical flux density of particle yielding arches and deposits. Separation and Purification Technology, 2012, vol. 101, pp. 42–48.

Gudipaty T., Stamm M. T., Cheung L. S., Jiang L., Zohar Y. Cluster formation and growth in microchannel flow of dilute particle suspensions. Microfluidics and Nanofluidics, 2011, vol. 10, no. 3, pp. 661–669.

Kim H., Arastoopour H. Extension of kinetic theory to cohesive particle flow. Powder Technology, 2002, vol. 122, pp. 83–94.

Marshall J. Particle aggregation and capture by walls in a particulate aerosol channel flow. Journal of Aerosol Science, 2007, vol. 38, pp. 333–351.

Klimenko L. S., Maryshev B. S. Numerical simulation of microchannel blockage by the random walk method. Chemical Engineering Journal, 2020, vol. 381, 122644.

Agbangla G. C., Climent E., Bacchin P. Numerical investigation of channel blockage by flowing microparticles. Computers and Fluids, 2014, vol. 94, pp. 69–83.

Shahzad K., DAvino G., Greco F., Guido S., Maf-fettone P. L. Numerical investigation of hardgel microparticle suspension dynamics in microfluidic channels: aggregation/fragmentation phenomena, and incipient clogging. Chemical Engineering Journal, 2016, vol. 303, pp. 202–216.

Elimelech M., Gregory J., Jia X. Particle deposition and aggregation: measurement, modelling and simulation. Охford: Butterworth-Heinemann, 2013. 458 p.

Batchelor G. K. Sedimentation in a dilute dispersion of spheres. Journal of Fluid Mechanics, 1972, vol. 52, no. 2, pp. 245-268.




DOI: http://dx.doi.org/10.17072/1994-3598-2020-3-05-13

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.


ISSN: 1994-3598

Адрес издателя и учредителя: ПГНИУ, ул. Букирева, д. 15, г. Пермь, 614990

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охраны культурного наследия. Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ФС77-66788 от 08 августа 2016 г.

Журнал включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (специальности: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы; 01.04.07 - Физика конденсированного состояния).

Научное издание

© ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», 2019

Лицензия Creative Commons Материалы журнала публикуются по лицензии Creative Commons - Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).