Ученые из Сибирского федерального университета (СФУ) в сотрудничестве с коллегами из Новосибирска провели численное моделирование перемешивания жидкостей в Т-образных микромиксерах и определили их оптимальную форму. Результаты работы опубликованы в журнале Chemical Engineering and Processing: Process Intensification.

Микротехнологии успешно используются в различных областях науки и промышленности. В частности, микроканалы (длинные тонкие трубки) применяются в синтезе высокочистых органических и неорганических веществ, для разработки новых лекарственных форм и диагностических систем, а также в биологических исследованиях. Микротехнологии за счет своих малых размеров упрощают управление процессом, повышают производительность и экономию дорогих материалов. Сегодня для смешивания пар жидкостей в основном применяют Т-образные каналы.

Они крайне популярны из-за того, что при определенных скоростях течения в них реализуется режим, в котором граница раздела двух жидкостей уже не плоская, а S-образная. Из-за этого происходит скачкообразное увеличение эффективности смешения двух жидкостей, а перепад давлений между входом и выходом канала такого изменения не претерпевает. Этот режим реализуется при некотором критическом значении параметра, определяющего характер течения, – числа Рейнольдса. Ранние работы в основном концентрировались на эффективности смешивания без учета разности давлений на входе и выходе. Для практических применений она имеет критическое значение, так как, если она велика, требуются прочные материалы для миксеров и мощные насосы.

В обсуждаемой работе ученые исследовали зависимость эффективности смешивания и разности давлений между входом и выходом от размеров Т-образных миксеров, варьируя ширину каналов от 0,2 до 1 миллиметра, а высоту - от 0,1 до 2 миллиметров. В качестве параметра, характеризующего общую эффективность микромиксера, было взято отношение эффективности смешивания к разности давлений на входе и выходе и к объему системы. Таким образом, учитывались все важные характеристики канала.

Для определения критического числа Рейнольдса в большом диапазоне размеров канала, в котором и проводили моделирование, авторы предложили новую формулу, предсказывающую этот параметр с ошибкой не более 5%. Таким образом, для каждой пары жидкостей с одинаковыми механическими и теплофизическими параметрами стало возможным подобрать Т-образный миксер и скорость прокачки для максимально эффективного смешивания, что позволит оптимизировать биологические исследования и производственные процессы в химической промышленности.

"В исследовании не ставилось целью изучить влияние различных свойств жидкостей, то есть выводы применимы для случая смешения в Т-образных каналах двух жидкостей с одинаковыми свойствами. Однако у нас есть целая серия исследований о самостоятельном, независимом влиянии на эффективность смешивания различий в теплофизических свойствах смешивающихся компонентов, свойств текучести, начальных температур, состава включений, добавленных в жидкость. Одновременное же влияние нескольких свойств можно рассмотреть как сумму воздействий каждого из них. По результатам всех этих исследований можно подбирать оптимальные каналы и режимы прокачки почти для любой пары жидкостей", - рассказывает один из авторов работы, сотрудник Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Александр Лобасов.

В исследовании также приняли участие ученые из Института теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук и Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).

Похожие новости

  • 31/07/2018

    Разработка красноярских ученых позволит с математической точностью устранять пожары

    ​Ученые Института вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук - обособленного подразделения Красноярского научного центра СО РАН разработали математические модели развития пожара и эвакуации для обеспечения пожарной безопасности в образовательных учреждениях Красноярского края.
    807
  • 25/09/2019

    Ученые ТГУ нашли новые пульсации в пламени «горелки» для тяжелого топлива

    Исследования нового устройства, созданного в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук и предназначенного для бессажевого сжигания тяжёлого углеводородного топлива с паровой газификацией, провели на механико-математическом факультете.
    446
  • 09/04/2019

    Переработку мусора обсудили на Международном форуме «Городские технологии — 2019»

    ​Вопрос с переработкой мусора в России в целом и в Новосибирске в частности сегодня стоит остро. На IV Международном форуме «Городские технологии — 2019» научные институты и производственные компании предложили свои решения этой проблемы.
    549
  • 18/01/2019

    Лётные испытания российского циклолёта начнут в 2020 году

    ​Научно-технический совет Фонда перспективных исследований утвердил проект создания демонстратора беспилотного летательного аппарата вертикального взлёта и посадки с циклическими движителями, об этом сообщает пресс-служба ФПИ.
    1590
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    1272
  • 23/11/2017

    Сибирские ученые модернизировали метод расчета движения жидкостей

    ​Исследователи из Сибирского федерального университета (СФУ) в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета и Сибирского отделения РАН предложили использовать для гидродинамических расчетов систему из нескольких графических процессоров вместо центрального.
    1171
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    556
  • 13/12/2019

    В РАН прошел совет по Стратегии научно-технического развития РФ

    ​В Академии наук прошел совет по приоритетному направлению Стратегии научно-технического развития РФ: «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии».
    517
  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    2364
  • 04/07/2019

    Сибирские ученые создают ветряк для нагревания воды

    ​Сибирские ученые создают ветрогенератор, который может работать при низкой скорости ветра и нагревать воду практически без потерь благодаря преобразованию механической энергии воздушного потока непосредственно в тепловую энергию.
    1119