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).