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Apr 28, 2023

Simulación de dinámica de fluidos computacional de dos

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9483 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

En el presente trabajo de investigación se analizó el comportamiento de flujo de un proceso de extracción líquido-líquido (LLE) en un microcanal serpenteante. La simulación se realizó utilizando un modelo 3D y se encontró que los resultados eran consistentes con los datos experimentales. También se examinó el impacto del flujo de cloroformo y agua en el modelo de flujo. Los datos indican que una vez que las tasas de flujo de las fases orgánica y acuosa son bajas y similares, se observa un patrón de flujo lento. Sin embargo, a medida que aumenta la tasa de flujo general, el flujo lento se transforma en flujo de pistón paralelo o flujo de gotas. Un incremento en los flujos de agua mientras se mantiene una tasa de flujo de fase orgánica constante da como resultado una transición de flujo lento a flujo de gotas o flujo de pistón. Finalmente, se caracterizaron y representaron los patrones de caudal en el microcanal serpentino. Los resultados de este estudio proporcionarán información valiosa sobre el comportamiento de los patrones de flujo de dos fases en dispositivos microfluídicos de serpentina. Esta información se puede utilizar para optimizar el diseño de dispositivos de microfluidos para diversas aplicaciones. Además, el estudio demostrará la aplicabilidad de la simulación CFD en la investigación del comportamiento de los fluidos en dispositivos microfluídicos, lo que puede ser una alternativa rentable y eficiente a los estudios experimentales.

El uso de sistemas bifásicos líquido-líquido (LL) prevalece en el tratamiento químico, por ejemplo, polimerización, nitración, cloración y extracción reactiva y por solventes1,2,3,4,5. Esos procedimientos se ven obstaculizados principalmente por limitaciones de transporte, como tasas de transferencia de masa pequeñas6,7,8. Para superar estas limitaciones, la miniaturización ha sido reconocida como un método prometedor de intensificación de procesos, al reducir la resistencia al transporte y aumentar las tasas de transporte9,10,11. La utilización de microespacios en dispositivos puede resultar en altas tasas de transferencia de calor y masa12,13,14,15,16,17. La mayor fracción interfacial de zona a volumen en los esquemas binarios a microescala en comparación con los sistemas a macroescala da como resultado tasas de transferencia de calor y masa mejoradas y una mayor eficiencia del proceso, que puede ser mayor en un orden de magnitud en comparación con los sistemas convencionales. Además, la facilidad de ampliación, la seguridad desarrollada y los requisitos de inventario reducidos, específicamente para los sistemas que utilizan productos químicos riesgosos y exclusivos, hacen que los dispositivos de microfluidos sean apropiados para una amplia gama de aplicaciones. La efectividad de un sistema específico en microcanales LL depende en gran medida de los esquemas de flujo de los dos líquidos no miscibles18,19,20,21.

Los patrones de flujo de microfluidos se refieren al comportamiento del fluido en canales o dispositivos a microescala. En los sistemas de microfluidos se producen tres flujos principales, paralelo, de gotas y de slug. Los mapas de flujo muestran gráficamente estos flujos principales frente al caudal de dos fases. Comprender los patrones de flujo de microfluidos es importante para diseñar y optimizar dispositivos de microfluidos para aplicaciones específicas. Al controlar el patrón de flujo, los investigadores pueden manipular el comportamiento de los fluidos en canales de microescala y desarrollar dispositivos que puedan realizar reacciones químicas, separaciones y detecciones precisas22,23,24.

Se analizaron varios patrones de flujo LL en herramientas microfluídicas en función de factores como el tamaño y la forma de los microcanales, las características físicas de los líquidos (por ejemplo, la viscosidad y la tensión superficial), el caudal, la relación de flujo de los líquidos y el comportamiento de humectación de las paredes de los microcanales25,26,27. Los patrones de flujo LL máximos usuales en microcanales de dos fases incluyen flujo de slug, flujo de pistón y flujo de gotas. El flujo de slug se ve favorecido por numerosos sistemas debido a la rotación interior dentro de los slugs de dos fases y la difusión entre los slugs contiguos. No obstante, la división integral de fases dentro de la herramienta microfluídica sigue siendo un desafío en los regímenes de flujo lento. La hidrodinámica de las babosas, como la longitud y la velocidad de las babosas, tiene una importancia significativa ya que afectan el rendimiento de los dispositivos microfluídicos28,29,30,31.

Los investigadores han propuesto varias leyes de escala para estimar la longitud del slug en un flujo bifásico líquido-líquido32,33,34,35. Se ha observado en estudios previos que la velocidad del slug está directamente relacionada con la velocidad total del fluido36,37,38. En el flujo pistón, es posible separar el líquido en dos fases en un chip debido a la creación de una interfaz LL estable en el centro del microcanal, lo que podría lograrse mediante el uso de una división en Y en la salida de los microcanales. Sin embargo, el método de transporte en flujo pistón se limita a la difusión, lo que genera una baja efectividad del sistema en comparación con los procesos que utilizan flujo segmentado39,40,41. Se realizaron varios proyectos de investigación para crear mapas de régimen de flujo42,43,44. Estos mapas podrían dibujarse de acuerdo con la tasa de flujo de los sistemas binarios, pero no pueden usarse como una representación general ya que no tienen en cuenta todos los factores que afectan los bocetos de flujo. Por lo tanto, los investigadores han sugerido cantidades adimensionales, como Re, We y Ca, para crear mapas generales de configuración de flujo45. Se utilizaron varias mezclas de estas cantidades adimensionales como coordenadas para diagramas de flujo generalizados. Waelchli et al.46 emplearon el teorema Pi de Buckingham para encontrar el comportamiento general del flujo de gas-líquido y propusieron una asociación de los números de Reynolds (Re) y Weber (We) para generalizar los datos experimentales. Mientras tanto, Cao et al.36 examinaron los esquemas de flujo LL en un microcanal de vidrio no circular y crearon transiciones integrales del modelo de flujo de acuerdo con el análisis de fuerza. También se ha sugerido utilizar los números Re y We para estimar las transiciones del modelo de flujo. Yagodinitsyna et al.47 emplearon un análisis adimensional fácil para el flujo LL para encontrar un factor universal para los mapas de patrones de flujo. Propusieron el número We multiplicado por el número de Ohnesorge (Oh) como un factor novedoso para simplificar los modelos de flujo de sus métodos analizados. Las unidades de las variables físicas utilizadas en el análisis adimensional y los números adimensionales se encuentran en las Tablas 1 y 2.

Darekar et al.43 investigaron los modelos de flujo de esquemas de eliminación estándar en microcanales de unión en Y y evaluaron la efectividad del uso de Re, Capilar (Ca), We y Weber multiplicados por números (We Oh) para el informe general del mapa de flujo. Las dos últimas cantidades proporcionaron los mejores resultados. Es crucial realizar un estudio adimensional para determinar la agrupación adecuada de cantidades adimensionales para crear un diagrama de flujo general. A pesar de que se supone que es una alternativa garantizada a los métodos tradicionales, el bajo rendimiento de un microcanal en particular sigue siendo un desafío, lo que requiere la ampliación de los dispositivos microfluídicos para la fabricación industrial. Una respuesta a este problema es desarrollar múltiples microcanales en paralelo, aumentando la salida y evitando las complicaciones de los métodos de escalado tradicionales48. Hasta donde sabemos, hay poca información sobre el modelo de flujo de dos mezclas no miscibles en una herramienta microfluídica paralela, y la mayoría de los estudios anteriores examinaron herramientas microfluídicas basadas en gotas paralelas para crear gotas de emulsión uniformes49,50,51, 52,53. Kassid et al.54 examinaron la difusión del flujo de un esquema LL en seis capilares distintos para evaluar la eficiencia de transferencia de masa del esquema de queroseno (+ ácido acético)—agua.

Este estudio usó CFD para determinar el mapa de flujo en un microcanal serpenteante. Se desarrollaron tres regímenes de flujo en microcanales, gotitas, slug y plug flow. Este estudio se centra en el microcanal para revelar su mapa de flujo a varios caudales. Además, el interior de flujo multifásico del microcanal se calculó matemáticamente para distinguir el modelo de flujo en el microcanal serpenteante. Los resultados de las simulaciones matemáticas se probaron mediante resultados experimentales. Los datos recibidos de las simulaciones fueron compatibles con los resultados experimentales, lo que indica que las simulaciones matemáticas modelaron con precisión el comportamiento del flujo en el microcanal.

Los cálculos para flujos multifásicos que involucran interfaces LL se realizan utilizando la técnica de volumen de fluido (VOF)55,56,57. Este método es una técnica popular utilizada en simulaciones CFD para modelar el comportamiento de flujos multifásicos. El método VOF es un método euleriano que rastrea la interfaz entre dos fluidos inmiscibles resolviendo las ecuaciones de Navier-Stokes para cada fase de fluido mientras rastrea la fracción de volumen de cada fase en cada celda computacional.

El método VOF funciona dividiendo el dominio computacional en una cuadrícula de celdas pequeñas y, en cada celda, se realiza un seguimiento de la fracción de volumen de cada fase de fluido. La interfaz entre los dos fluidos se define como la región donde la fracción de volumen de una fase cambia de 0 a 1 o viceversa. Este modelo es efectivo para monitorear el límite entre dos fases que no se mezclan. En el sistema VOF, parámetros como la presión y la velocidad son comunes a las fases binarias y reflejan las cantidades de volumen promedio. Las correlaciones para conservar la masa y el momento de dos líquidos incompresibles y no miscibles tienen un promedio de volumen y se pueden encontrar en58,59,60,61,62,63,64,65:

En estas correlaciones, ρ, μ, u, ρgi y fσ son la densidad del fluido, la viscosidad dinámica, el vector de velocidad, la fuerza de gravedad y las fuerzas del cuerpo exterior, respectivamente.

La densidad de la mezcla y la viscosidad se estima a través de la fracción de volumen promediando 66,67,68,69,70.

donde \(\mathrm{\alpha }\) es el porcentaje de volumen y los dígitos pertenecen a la fase. Es evidente que la suma del porcentaje de volumen de la fase específica se supone que es cien por ciento, como sigue

La fracción de volumen en la interfaz varía de 0 a 1, por lo que es fundamental realizar un seguimiento preciso de la interfaz dentro de las células.

Para ello, es necesario resolver una correlación de continuidad para el porcentaje de volumen de la unidad o múltiples fases. La ecuación de continuidad para la fracción de volumen de la i-ésima fase se expresa de la siguiente manera:

En la interfaz gas-líquido se produce un salto de presión debido a la diferencia de tensión superficial entre ambos lados. Esta diferencia se considera en equilibrio y su pendiente debe coincidir con la fuerza del cuerpo añadida en el equilibrio de cantidad de movimiento. La disyunción del salto de presión se estima como se describe en66,71,72:

Las características humectantes de la sustancia se analizan examinando los ángulos de contacto de las gotas de agua en el lado del vidrio. Los ángulos de contacto se miden utilizando un goniómetro estándar. Las características físicas de los fluidos se muestran en la Tabla 3.

En este estudio, se eligió la geometría tridimensional de microcanales para el análisis del mapa de flujo. La geometría y la malla se muestran en la Fig. 1. El microcanal tiene un perfil suave con una rugosidad superficial promedio de 0,22 μm. El área de la sección transversal es de aproximadamente 0,13 mm2 con un diámetro hidráulico de 0,32 mm. La longitud de cada microcanal (parte de mezcla) es de 102 mm. Se utilizaron elementos estructurados tridimensionales para la generación de mallas debido a su capacidad para manejar geometrías complejas y reducir errores. El dominio computacional se estableció inicialmente utilizando componentes con longitudes laterales estándar de 5, 3, 2 y 1 µm (números de malla de 495 000, 950 000, 1 920 000 y 3 850 000). Después de explicar las correlaciones del campo de flujo y el porcentaje de volumen, la longitud del slug de la simulación se comparó con los datos experimentales y se graficó. Los resultados se presentan en la Tabla 4, con errores comparativos en la estimación de la longitud del slug para los elementos de 1 y 2 µm que son inferiores al 1 %. Por lo tanto, se eligieron redes con longitudes promedio de 2 µm como umbral para la simulación numérica.

(a) Geometría del microcanal (b) creando la rejilla.

Para evaluar la calidad de la malla utilizada en la simulación, se analizaron la relación de aspecto y la asimetría de los elementos de la malla. La relación de aspecto mide el alargamiento de cada elemento de malla, y una relación de aspecto alta puede dar como resultado simulaciones imprecisas. La asimetría mide la desviación de una forma regular, y una asimetría alta puede provocar inestabilidades numéricas. Los resultados del análisis mostraron que la relación de aspecto de la mayoría de los elementos estaba por debajo de 3, lo que indica que la malla no estaba excesivamente alargada. Además, la asimetría estaba dentro del rango aceptable de menos de 0,5. Con base en estos resultados, se concluyó que la calidad de la malla era aceptable y adecuada para su uso en la simulación.

Para las simulaciones de flujo de dos fases, se implementan las condiciones límite de velocidad de entrada uniforme para ambas fases líquidas. En la salida, se supone que la condición límite de salida de Presión para líquido y gas. En las paredes se impone una condición de contorno de no deslizamiento para las fases líquidas. Para las soluciones numéricas se utilizó el método de volúmenes finitos. Se seleccionó el algoritmo SIMPLE para calcular el acoplamiento presión-velocidad. La discretización contra el viento de segundo orden se utilizó para el impulso. El criterio de convergencia de los errores residuales se fijó en 10–4. Para ello se utilizó el método de volúmenes finitos del paquete de software ANSYS FLUENT para la obtención de soluciones numéricas.

Los diagramas que representan los modelos de flujo de diferentes esquemas LL, conocidos como mapas de flujo, demuestran cómo la tasa de flujo afecta el régimen de flujo. Las Figuras 2, 3, 4 y 5 presentan los diferentes regímenes de flujo (flujo lento, flujo de gotas y flujo de pistón) en un canal microfluídico serpenteante, tal como lo validan los hallazgos experimentales de Asadi et al.45. Los resultados de la simulación coinciden bien con el trabajo experimental.

El régimen de slug flow (a) simulación (b) trabajo experimental45.

El régimen de flujo de gotas (a) simulación (b) trabajo experimental45.

El régimen de flujo pistón (a) simulación (b) trabajo experimental45.

Fracción de volumen de cloroformo 3D (a) flujo de slug (b) flujo de gotas (c) flujo paralelo.

La figura 2 ilustra la ocurrencia de flujo lento una vez que las tasas de flujo de las fases orgánica y acuosa son algo pequeñas y similares. En esta figura, los caudales son de 100 y 100 µl por minuto para las fases acuosa y orgánica, respectivamente. Como se muestra, la fase orgánica ingresa primero al canal principal y ocupa una gran parte de su sección transversal, lo que provoca que la fase continua se bloquee en gran medida. Esto da como resultado una mayor fuerza de arrastre que se aplica a la interfaz, lo que conduce a la entrada gradual y completa de la fase orgánica en el canal principal con el tiempo. El gradiente de presión creado en el grupo en formación y la fuerza de arrastre que actúa sobre la interfaz contrarrestan la fuerza de tensión superficial, lo que hace que la fase dispersa se separe de la entrada en forma de Y del microcanal. Con estas dos fuerzas dominando la fuerza de tensión superficial, la fase dispersa se separa de la unión en Y y forma un grupo. A medida que la fase acuosa fluye de regreso a su entrada designada, el grumo se separa por completo y desciende por el canal principal. Este proceso se repite de manera alterna. El tamaño de los grumos producidos por el flujo bifásico y las características físicas de los fluidos utilizados pueden verse alterados.

A medida que aumenta la tasa de flujo general, el flujo lento se transforma en flujo de pistón o flujo de gotas. El esquema de flujo depende de la forma y las tasas de fase orgánica. Si la tasa de flujo de la fase acuosa se reduce mientras que la tasa de la fase orgánica aumenta, el modelo de flujo cambiará de flujo lento a flujo de gotas, como se muestra en la Fig. 3a con una tasa de flujo de agua de 600 y una tasa de flujo orgánico de 30 µl. por minuto. Si la tasa de flujo de agua permanece constante mientras aumenta la tasa de la fase orgánica, el modelo de flujo resultante siempre será un flujo de pistón, como se ilustra en la Fig. 4a con tasas de flujo de agua y orgánica a 500 µl por minuto. Las Figuras 5a-c muestran el flujo lento de la fracción volumétrica de cloroformo, el flujo de gotas y el flujo paralelo, respectivamente.

Los mapas de flujo en la Fig. 6 demuestran el impacto de la tasa de flujo en los regímenes de flujo en un sistema líquido-líquido. En un estado moderado, se observan velocidades de flujo comparables para la fase acuosa y orgánica, flujo lento. A medida que aumenta la tasa de flujo general, el régimen de flujo cambia a flujo de pistón o flujo de gotas. Si la tasa de flujo de agua se mantiene constante y la tasa de flujo de la fase orgánica aumenta, el modelo de flujo se transforma de slug a gotita o flujo de pistón, según el tipo y la tasa de flujo de la fase orgánica. Por otro lado, si se aumenta la tasa de flujo orgánico mientras se mantiene uniforme la tasa de flujo de agua, el modelo de flujo resultante es un flujo de pistón permanente, como se demuestra en la Fig. 6.

Los modelos de flujo de cloroformo-agua basados ​​en trabajo computacional.

Las Figuras 7, 8 y 9 muestran mapas de patrones de flujo de los sistemas de dos fases con números Re, Ca y We como coordenadas basadas en el trabajo computacional, respectivamente. Como se puede ver en la Fig. 7, a números Re más altos de la fase orgánica, el flujo se mueve hacia el flujo paralelo. A números Re altos de la fase acuosa y números Re bajos de la fase orgánica, los enfoques de flujo son el flujo de gotas. A números de Re iguales, así como a números de Re bajos, tendremos flujo lento.

Mapas de patrones de flujo de los sistemas de dos fases con Re como coordenadas basadas en trabajo computacional.

Mapas de patrones de flujo de los sistemas de dos fases con Ca como coordenadas basadas en trabajo computacional.

Mapas de patrones de flujo de los sistemas de dos fases con We como las coordenadas basadas en trabajo computacional.

Las figuras 8 y 9 del diagrama son similares a lo que sucedió con el número Re, con la diferencia de que en la figura 9, el rango del número de Weber cubre un rango mayor que los dos números adimensionales Re y Ca.

En este artículo, se presentó un nuevo modelo, basado en el cual se puede predecir el patrón de flujo en el microcanal serpentino. Además, esta investigación examina el comportamiento del flujo de la extracción líquido-líquido usando cloroformo y agua en un microcanal serpenteante. Se empleó un modelo 3D para calcular el comportamiento del flujo en el microcanal serpentino y los resultados fueron compatibles con los datos experimentales. Se analizó el impacto de la tasa de flujo de cloroformo y agua en el patrón de flujo, lo que reveló que el flujo lento se produce a tasas de flujo bajas y comparables, pero pasa a un flujo paralelo o de gotas a medida que mejora la tasa de flujo total. El aumento de la tasa de flujo de agua mientras se mantiene estable la tasa de flujo de la fase orgánica conduce a un cambio de flujo de slug a flujo de gotas o flujo de pistón. También se representaron los patrones de flujo en el microcanal serpentino. Además, están presentes mapas de patrones de flujo de los sistemas de dos fases con números Re, Ca y We como las coordenadas basadas en el trabajo computacional. Los resultados muestran que a mayores números de Re, Ca y We de la fase orgánica, el flujo se mueve hacia el flujo paralelo. A números altos de Re, Ca y We de la fase acuosa y bajos números de Re, Ca y We de la fase orgánica, los enfoques de flujo son el flujo de gotas.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Esta investigación no recibió ninguna subvención específica de agencias de financiación en los sectores público, comercial o sin fines de lucro.

Escuela de Investigación del Ciclo del Combustible Nuclear, Instituto de Investigación de Ciencia y Tecnología Nuclear, Teherán, Irán

Younes Amini, Valiyollah Ghazanfari, Mehran Heydari, Mohammad Mahdi Shadman, A. Gh. Khamseh y Mohammad Hassan Khani

Departamento de Ingeniería de Polímeros, Facultad de Ingeniería, Universidad de Lorestan, Khorramabad, Irán

Amin Hassanvand

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Correspondencia a Younes Amini.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Amini, Y., Ghazanfari, V., Heydari, M. et al. Simulación de dinámica de fluidos computacional de patrones de flujo de dos fases en un dispositivo microfluídico serpentino. Informe científico 13, 9483 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36672-6

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Recibido: 21 Abril 2023

Aceptado: 07 junio 2023

Publicado: 10 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36672-6

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