Computergestützte Fluiddynamiksimulation von zwei

Apr 13, 2024

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9483 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In der aktuellen Forschungsarbeit wurde das Strömungsverhalten eines Flüssig-Flüssig-Extraktionsprozesses (LLE) in einem serpentinenförmigen Mikrokanal analysiert. Die Simulation wurde mithilfe eines 3D-Modells durchgeführt und die Ergebnisse stimmten mit den experimentellen Daten überein. Auch der Einfluss des Chloroform- und Wasserflusses auf das Strömungsmodell wurde untersucht. Die Daten deuten darauf hin, dass ein Schwallströmungsmuster beobachtet wird, sobald die Strömungsgeschwindigkeiten der Aqua- und organischen Phasen niedrig und ähnlich sind. Mit zunehmender Gesamtströmungsgeschwindigkeit wandelt sich die Schwallströmung jedoch in eine parallele Pfropfenströmung oder Tropfenströmung um. Eine Erhöhung der Wasserströmungen bei gleichzeitiger Beibehaltung einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit der organischen Phase führt zu einem Übergang von der Schwallströmung entweder zur Tröpfchenströmung oder zur Pfropfenströmung. Abschließend wurden die Strömungsmuster im serpentinenförmigen Mikrokanal charakterisiert und dargestellt. Die Ergebnisse dieser Studie werden wertvolle Einblicke in das Verhalten von Zweiphasenströmungsmustern in serpentinenförmigen Mikrofluidikgeräten liefern. Diese Informationen können verwendet werden, um das Design mikrofluidischer Geräte für verschiedene Anwendungen zu optimieren. Darüber hinaus wird die Studie die Anwendbarkeit der CFD-Simulation bei der Untersuchung des Verhaltens von Flüssigkeiten in mikrofluidischen Geräten demonstrieren, die eine kostengünstige und effiziente Alternative zu experimentellen Studien darstellen kann.

Die Verwendung von zweiphasigen Flüssig-Flüssig-Systemen (LL) ist in der chemischen Behandlung weit verbreitet, beispielsweise bei der Polymerisation, Nitrierung, Chlorierung sowie der Reaktiv- und Lösungsmittelextraktion1,2,3,4,5. Diese Verfahren werden meist durch Transportbeschränkungen behindert, beispielsweise durch geringe Massentransferraten6,7,8. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde die Miniaturisierung als vielversprechende Methode zur Prozessintensivierung erkannt, indem der Transportwiderstand verringert und die Transportraten erhöht werden9,10,11. Die Nutzung von Mikroräumen in Geräten kann zu hohen Wärme- und Stoffübertragungsraten führen12,13,14,15,16,17. Der höhere Grenzflächenzonen-zu-Volumen-Anteil in binären Systemen im Mikromaßstab im Vergleich zu Systemen im Makromaßstab führt zu verbesserten Wärme- und Stoffübertragungsraten und einer erhöhten Prozesseffizienz, die im Vergleich zu herkömmlichen Systemen um eine Größenordnung höher sein kann. Darüber hinaus machen die einfache Skalierung der entwickelten Sicherheit und die geringeren Lageranforderungen, insbesondere für Systeme, die riskante und exklusive Chemikalien verwenden, mikrofluidische Geräte für ein breites Anwendungsspektrum geeignet. Die Wirksamkeit eines bestimmten Systems in LL-Mikrokanälen hängt stark von den Strömungsschemata der beiden nicht mischbaren Flüssigkeiten ab18,19,20,21.

Mikrofluidische Strömungsmuster beziehen sich auf das Verhalten der Flüssigkeit in Kanälen oder Geräten im Mikromaßstab. In mikrofluidischen Systemen treten drei Hauptströmungen auf: Parallelströmung, Tröpfchenströmung und Schwallströmung. Strömungskarten zeigen grafisch diese Hauptströmungen im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit zweier Phasen. Das Verständnis mikrofluidischer Strömungsmuster ist wichtig für die Entwicklung und Optimierung mikrofluidischer Geräte für bestimmte Anwendungen. Durch die Steuerung des Strömungsmusters können Forscher das Verhalten von Flüssigkeiten in Mikrokanälen manipulieren und Geräte entwickeln, die präzise chemische Reaktionen, Trennungen und Nachweise durchführen können22,23,24.

Mehrere LL-Strömungsmuster wurden in mikrofluidischen Werkzeugen auf der Grundlage von Faktoren wie Mikrokanalgröße und -form, physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten (z. B. Viskosität und Oberflächenspannung), Fließgeschwindigkeit, Fließverhältnis der Flüssigkeiten und dem Benetzungsverhalten untersucht die Mikrokanalwände25,26,27. Zu den häufigsten LL-Strömungsmustern in Zweiphasen-Mikrokanälen gehören Schwallströmung, Pfropfenströmung und Tropfenströmung. Die Schwallströmung wird in zahlreichen Systemen aufgrund der Innenrotation innerhalb der Schlacken zweier Phasen und der Diffusion zwischen den aneinandergrenzenden Schlacken begünstigt. Dennoch bleibt die umfassende Phasenaufteilung innerhalb des mikrofluidischen Werkzeugs bei Schwallströmungsregimen eine Herausforderung. Die Hydrodynamik der Schnecken, wie etwa Länge und Geschwindigkeit der Schnecke, ist von erheblicher Bedeutung, da sie die Leistung mikrofluidischer Geräte beeinflusst28,29,30,31.

Die Forscher haben verschiedene Skalierungsgesetze aufgestellt, um die Länge des Pfropfens in einer zweiphasigen Flüssigkeit-Flüssigkeit-Strömung abzuschätzen32,33,34,35. In früheren Studien wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Kugel in direktem Zusammenhang mit der Gesamtgeschwindigkeit der Flüssigkeit steht36,37,38. Bei der Pfropfenströmung ist die Trennung der Flüssigkeit in zwei Phasen auf einem Chip möglich, da in der Mitte des Mikrokanals eine stabile LL-Grenzfläche geschaffen wird, was durch die Verwendung einer Y-Splittung am Ausgang des Mikrokanals erreicht werden könnte. Allerdings ist die Transportmethode bei der Pfropfenströmung auf Diffusion beschränkt, was zu einer geringen Systemeffektivität im Vergleich zu Prozessen mit segmentierter Strömung führt39,40,41. Zur Erstellung von Strömungsregimekarten wurden mehrere Forschungsprojekte durchgeführt42,43,44. Diese Karten könnten entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit binärer Systeme skizziert werden, sie können jedoch nicht als allgemeine Darstellung verwendet werden, da sie nicht alle Faktoren berücksichtigen, die sich auf die Strömungsskizzen auswirken. Daher haben Forscher dimensionslose Größen wie Re, We und Ca vorgeschlagen, um allgemeine Strömungskonfigurationskarten zu erstellen45. Verschiedene Mischungen dieser dimensionslosen Größen wurden als Koordinaten für verallgemeinerte Flussdiagramme verwendet. Waelchli et al.46 verwendeten den Pi-Satz von Buckingham, um das Gesamtströmungsverhalten für Gas-Flüssigkeits-Strömungen zu ermitteln, und schlugen eine Assoziation von Reynolds- (Re) und Weber- (We) Zahlen vor, um experimentelle Daten zu verallgemeinern. Unterdessen untersuchten Cao et al.36 die LL-Strömungsschemata in einem nicht kreisförmigen Mikrokanal aus Glas und erstellten anhand der Kraftanalyse umfassende Strömungsmodellübergänge. Es wurde auch vorgeschlagen, Re- und We-Zahlen zur Schätzung von Strömungsmodellübergängen zu verwenden. Yagodinitsyna et al.47 verwendeten eine einfache dimensionslose Analyse für LL-Strömungen, um einen universellen Faktor für Strömungsmusterkarten zu finden. Sie schlugen die We-Zahl multipliziert mit der Ohnesorge-Zahl (Oh) als neuartigen Faktor vor, um die Flussmodelle ihrer analysierten Methoden zu vereinfachen. Die Einheiten der physikalischen Variablen, die in der dimensionslosen Analyse verwendet werden, und die dimensionslosen Zahlen sind in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt.

Darekar et al.43 untersuchten die Strömungsmodelle von Standardentfernungsschemata in Mikrokanälen mit Y-Verbindung und bewerteten die Wirksamkeit der Verwendung von Re-, Kapillar- (Ca), We- und Weber-Zahlen multipliziert mit (We Oh)-Zahlen für einen allgemeinen Flusskartenbericht. Die letzten beiden Mengen lieferten die besten Ergebnisse. Es ist von entscheidender Bedeutung, eine dimensionslose Studie durchzuführen, um die geeignete Gruppierung dimensionsloser Größen zu bestimmen und ein allgemeines Flussdiagramm zu erstellen. Obwohl man davon ausgeht, dass es sich um eine garantierte Alternative zu herkömmlichen Methoden handelt, bleibt die geringe Leistung eines bestimmten Mikrokanals eine Herausforderung und erfordert die Vergrößerung mikrofluidischer Geräte für die industrielle Fertigung. Eine Antwort auf dieses Problem besteht darin, mehrere Mikrokanäle parallel zu entwickeln, um die Leistung zu erhöhen und gleichzeitig Komplikationen herkömmlicher Skalierungsmethoden zu vermeiden48. Nach unserem besten Wissen gibt es nur wenige Informationen zum Strömungsmodell zweier nicht mischbarer Mischungen in einem parallelen Mikrofluidik-Werkzeug, wobei die meisten früheren Studien parallelisierte tropfenbasierte Mikrofluidik-Werkzeuge zur Erzeugung gleichmäßiger Emulsionstropfen untersuchten49,50,51, 52,53. Kassid et al.54 untersuchten die Strömungsausbreitung eines LL-Schemas in sechs verschiedenen Kapillaren, um die Stoffübertragungseffizienz des Kerosin (+ Essigsäure)-Wasser-Schemas zu bewerten.

Diese Studie verwendete CFD, um die Strömungskarte in einem serpentinenförmigen Mikrokanal zu bestimmen. Es wurden drei Strömungsregime in Mikrokanal-, Tröpfchen-, Schwall- und Pfropfenströmung entwickelt. Diese Studie konzentriert sich auf den Mikrokanal, um dessen Flusskarte bei verschiedenen Flussraten aufzuzeigen. Darüber hinaus wurde die mehrphasige Strömung im Inneren des Mikrokanals mathematisch berechnet, um das Strömungsmodell im serpentinenförmigen Mikrokanal zu unterscheiden. Die Ergebnisse mathematischer Simulationen wurden durch experimentelle Ergebnisse nachgewiesen. Die aus den Simulationen erhaltenen Daten waren mit den experimentellen Ergebnissen kompatibel, was darauf hindeutet, dass die mathematischen Simulationen das Strömungsverhalten im Mikrokanal genau modellierten.

Die Berechnungen für Mehrphasenströmungen mit LL-Grenzflächen werden mithilfe der Volume-of-Fluid-Technik (VOF)55,56,57 durchgeführt. Diese Methode ist eine beliebte Technik, die in CFD-Simulationen zur Modellierung des Verhaltens von Mehrphasenströmungen verwendet wird. Die VOF-Methode ist eine Eulersche Methode, die die Grenzfläche zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten verfolgt, indem sie die Navier-Stokes-Gleichungen für jede Flüssigkeitsphase löst und gleichzeitig den Volumenanteil jeder Phase in jeder Rechenzelle verfolgt.

Bei der VOF-Methode wird der Rechenbereich in ein Gitter aus kleinen Zellen unterteilt, und an jeder Zelle wird der Volumenanteil jeder Flüssigkeitsphase verfolgt. Die Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten ist als der Bereich definiert, in dem sich der Volumenanteil einer Phase von 0 auf 1 oder umgekehrt ändert. Dieses Modell ist wirksam bei der Überwachung der Grenze zwischen zwei Phasen, die sich nicht vermischen. Im VOF-System sind Parameter wie Druck und Geschwindigkeit für binäre Phasen üblich und spiegeln die durchschnittlichen Volumenmengen wider. Die Korrelationen zur Erhaltung der Masse und des Impulses zweier inkompressibler, nicht mischbarer Flüssigkeiten sind volumengemittelt und finden sich in58,59,60,61,62,63,64,65:

In diesen Korrelationen sind ρ, μ, u, ρgi und fσ die Dichte der Flüssigkeit, die dynamische Viskosität, der Geschwindigkeitsvektor, die Schwerkraft bzw. die äußeren Körperkräfte.

Die Dichte der Mischung und die Viskosität werden über die Volumenanteil-Mittelung geschätzt66,67,68,69,70.

Dabei ist \(\mathrm{\alpha }\) der Volumenprozentsatz und die Ziffern gehören zur Phase. Es ist offensichtlich, dass die Summe des Volumenprozentsatzes der spezifischen Phase wie folgt hundert Prozent betragen soll

Der Volumenanteil in der Grenzfläche reicht von 0 bis 1, weshalb es entscheidend ist, die Grenzfläche innerhalb der Zellen genau zu verfolgen.

Dazu ist es notwendig, eine Kontinuitätskorrelation für den Volumenprozentsatz von eins oder mehreren Phasen zu lösen. Die Kontinuitätsgleichung für den Volumenanteil der i-ten Phase lautet wie folgt:

An der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche kommt es aufgrund des Oberflächenspannungsunterschieds zwischen beiden Seiten zu einem Drucksprung. Dieser Unterschied wird im Gleichgewicht berücksichtigt und seine Steigung sollte der hinzugefügten Körperkraft im Impulsgleichgewicht entsprechen. Die Drucksprung-Disjunktion wird wie in66,71,72 beschrieben geschätzt:

Die Benetzungseigenschaften der Substanz werden durch Untersuchung der Kontaktwinkel der Wassertropfen auf der Glasseite analysiert. Die Kontaktwinkel werden mit einem Standard-Goniometer gemessen. Die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten sind in Tabelle 3 aufgeführt.

In dieser Studie wurde eine dreidimensionale Mikrokanalgeometrie für die Flusskartenanalyse ausgewählt. Die Geometrie und das Netz sind in Abb. 1 dargestellt. Der Mikrokanal hat ein glattes Profil mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit von 0,22 μm. Die Querschnittsfläche beträgt ca. 0,13 mm2 bei einem hydraulischen Durchmesser von 0,32 mm. Die Länge jedes Mikrokanals (Mischteil) beträgt 102 mm. Für die Netzgenerierung wurden dreidimensionale Strukturelemente verwendet, da sie komplexe Geometrien verarbeiten und Fehler reduzieren können. Der Rechenbereich wurde ursprünglich unter Verwendung von Komponenten mit Standardseitenlängen von 5, 3, 2 und 1 µm (Maschenzahlen von 495.000, 950.000, 1.920.000 und 3.850.000) erstellt. Nach der Erläuterung der Korrelationen zwischen Strömungsfeld und Volumenprozentsatz wurde die Schwalllänge der Simulation mit den experimentellen Daten verglichen und grafisch dargestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt, wobei die Vergleichsfehler bei der Schätzung der Slug-Länge für die 1- und 2-µm-Elemente weniger als 1 % betragen. Als Schwellenwert für die numerische Simulation wurden daher Netzwerke mit einer durchschnittlichen Länge von 2 µm gewählt.

(a) Geometrie des Mikrokanals (b) Erstellung des Gitters.

Um die Qualität des in der Simulation verwendeten Netzes zu beurteilen, wurden das Seitenverhältnis und die Schiefe der Netzelemente analysiert. Das Seitenverhältnis misst die Dehnung jedes Netzelements und ein hohes Seitenverhältnis kann zu ungenauen Simulationen führen. Die Schiefe misst die Abweichung von einer regelmäßigen Form und eine hohe Schiefe kann zu numerischen Instabilitäten führen. Die Ergebnisse der Analyse zeigten, dass das Seitenverhältnis der meisten Elemente unter 3 lag, was darauf hindeutet, dass das Netz nicht übermäßig gedehnt war. Darüber hinaus lag die Schiefe im akzeptablen Bereich von weniger als 0,5. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde der Schluss gezogen, dass die Netzqualität akzeptabel und für die Verwendung in der Simulation geeignet war.

Für die Zweiphasenströmungssimulationen werden die einheitlichen Eintrittsgeschwindigkeitsrandbedingungen für beide Flüssigkeitsphasen implementiert. Am Auslass wird angenommen, dass die Druckauslassrandbedingung für Flüssigkeit und Gas gilt. An den Wänden wird eine rutschfeste Randbedingung für flüssige Phasen vorgegeben. Für die numerischen Lösungen wurde die Finite-Volumen-Methode verwendet. Zur Berechnung der Druck-Geschwindigkeits-Kopplung wurde der SIMPLE-Algorithmus ausgewählt. Für den Impuls wurde die Upwind-Diskretisierung zweiter Ordnung verwendet. Das Konvergenzkriterium der Restfehler wurde auf 10–4 festgelegt. Zu diesem Zweck wurde die Finite-Volumen-Methode des Softwarepakets ANSYS FLUENT verwendet, um numerische Lösungen zu erhalten.

Die Diagramme, die die Strömungsmodelle verschiedener LL-Systeme darstellen, sogenannte Strömungskarten, zeigen, wie sich die Strömungsgeschwindigkeit auf das Strömungsregime auswirkt. Die Abbildungen 2, 3, 4 und 5 zeigen die verschiedenen Strömungsregime – Schwallströmung, Tröpfchenströmung und Pfropfenströmung – in einem serpentinenförmigen Mikrofluidikkanal, wie durch die experimentellen Ergebnisse von Asadi et al.45 bestätigt. Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit der experimentellen Arbeit überein.

Das Schwallströmungsregime (a) Simulation (b) experimentelle Arbeit45.

Das Tröpfchenströmungsregime (a) Simulation (b) experimentelle Arbeit45.

Das Pfropfenströmungsregime (a) Simulation (b) experimentelle Arbeit45.

3D-Chloroform-Volumenanteil (a) Schwallströmung (b) Tröpfchenströmung (c) Parallelströmung.

Abbildung 2 veranschaulicht das Auftreten einer Schwallströmung, sobald die Strömungsgeschwindigkeiten der Wasser- und der organischen Phase etwas klein und ähnlich sind. In dieser Abbildung betragen die Flussraten 100 bzw. 100 µl pro Minute für die Aqua- bzw. organische Phase. Wie dargestellt, gelangt die organische Phase zuerst in den Hauptkanal und nimmt einen großen Teil seines Querschnitts ein, wodurch die kontinuierliche Phase erheblich blockiert wird. Dies führt dazu, dass eine erhöhte Widerstandskraft auf die Grenzfläche ausgeübt wird, was im Laufe der Zeit zum allmählichen und vollständigen Eintritt der organischen Phase in den Hauptkanal führt. Der im sich bildenden Klumpen erzeugte Druckgradient und die auf die Grenzfläche wirkende Widerstandskraft wirken der Oberflächenspannungskraft entgegen und bewirken, dass sich die dispergierte Phase vom Y-förmigen Einlass des Mikrokanals trennt. Da diese beiden Kräfte die Oberflächenspannungskraft dominieren, wird die dispergierte Phase von der Y-Verbindung getrennt und bildet einen Klumpen. Wenn die wässrige Phase in den dafür vorgesehenen Eingang zurückfließt, löst sich der Klumpen vollständig und bewegt sich den Hauptkanal hinunter. Dieser Vorgang wiederholt sich abwechselnd. Die Größe der durch die Zweiphasenströmung erzeugten Klumpen und die physikalischen Eigenschaften der verwendeten Flüssigkeiten können verändert werden.

Mit steigender Gesamtströmungsgeschwindigkeit wandelt sich die Schwallströmung entweder in eine Pfropfenströmung oder eine Tropfenströmung um. Das Fließschema hängt von der Form und den Mengen der organischen Phase ab. Wenn die Durchflussrate der Aquaphase verringert wird, während die Rate der organischen Phase erhöht wird, wechselt das Strömungsmodell von der Schwallströmung zur Tröpfchenströmung, wie in Abb. 3a mit einer Aquadurchflussrate von 600 und einer organischen Durchflussrate von 30 µl dargestellt pro Minute. Wenn die Aqua-Durchflussrate konstant bleibt, während die organische Phasenrate zunimmt, wird das resultierende Strömungsmodell immer eine Pfropfenströmung sein, wie in Abb. 4a dargestellt, wobei die Aqua- und die organische Durchflussrate jeweils 500 µl pro Minute betragen. Abbildung 5a-c zeigt den Schwallstrom, den Tröpfchenstrom bzw. den Parallelstrom des Chloroform-Volumenanteils.

Die Strömungskarten in Abb. 6 zeigen den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Strömungsregime in einem Flüssigkeit-Flüssigkeit-System. Bei einem moderaten Zustand werden vergleichbare Strömungsgeschwindigkeiten für die aqua- und organische Phase, Schwallströmung, beobachtet. Mit steigender Gesamtströmungsgeschwindigkeit verschiebt sich das Strömungsregime zur Pfropfenströmung oder Tropfenströmung. Wenn die Wasserströmungsgeschwindigkeit konstant gehalten wird und die Strömungsgeschwindigkeit der organischen Phase zunimmt, wandelt sich das Strömungsmodell abhängig von der Art und Strömungsgeschwindigkeit der organischen Phase von einer Schwallströmung in eine Tröpfchen- oder Pfropfenströmung um. Wenn andererseits die organische Strömungsrate erhöht wird, während die Aqua-Strömungsrate gleichmäßig bleibt, ist das Folgeströmungsmodell eine permanente Pfropfenströmung, wie in Abb. 6 dargestellt.

Die Strömungsmodelle von Chloroform-Wasser basieren auf rechnerischen Arbeiten.

Die Abbildungen 7, 8 und 9 zeigen Strömungsmusterkarten der Zweiphasensysteme mit Re-, Ca- und We-Zahlen als Koordinaten, die jeweils auf Rechenarbeit basieren. Wie aus Abb. 7 ersichtlich ist, bewegt sich die Strömung bei höheren Re-Zahlen der organischen Phase in Richtung der Parallelströmung. Bei hohen Re-Zahlen der wässrigen Phase und niedrigen Re-Zahlen der organischen Phase sind die Strömungsansätze Tröpfchenströmung. Sowohl bei gleichen Re-Zahlen als auch bei niedrigen Re-Zahlen liegt eine Schwallströmung vor.

Strömungsmusterkarten der Zweiphasensysteme mit Re als Koordinaten basierend auf Rechenarbeit.

Strömungsmusterkarten der Zweiphasensysteme mit Ca als Koordinaten basierend auf Rechenarbeiten.

Strömungsmusterkarten der Zweiphasensysteme mit We als Koordinaten basierend auf rechnerischer Arbeit.

Die Abbildungen 8 und 9 des Diagramms ähneln dem, was für die Re-Zahl geschah, mit dem Unterschied, dass in Abb. 9 der Bereich der Weber-Zahl einen größeren Bereich abdeckt als die beiden dimensionslosen Zahlen Re und Ca.

In dieser Arbeit wurde ein neues Modell vorgestellt, auf dessen Grundlage das Strömungsmuster im Serpentinen-Mikrokanal vorhergesagt werden kann. Darüber hinaus untersucht diese Forschung das Strömungsverhalten der Flüssig-Flüssig-Extraktion mit Chloroform und Wasser in einem serpentinenförmigen Mikrokanal. Zur Berechnung des Strömungsverhaltens im serpentinenförmigen Mikrokanal wurde ein 3D-Modell verwendet, und die Ergebnisse waren mit experimentellen Daten kompatibel. Der Einfluss der Durchflussrate von Chloroform und Wasser auf das Strömungsmuster wurde analysiert. Dabei zeigte sich, dass bei niedrigen und vergleichbaren Durchflussraten eine Schwallströmung auftritt, die jedoch mit zunehmender Gesamtdurchflussrate in eine Parallel- oder Tröpfchenströmung übergeht. Eine Erhöhung der Wasserströmungsrate bei gleichzeitiger Beibehaltung der Strömungsrate der organischen Phase führte zu einer Verschiebung von der Schwallströmung entweder zur Tröpfchenströmung oder zur Pfropfenströmung. Auch die Strömungsmuster im serpentinenförmigen Mikrokanal wurden dargestellt. Darüber hinaus liegen Strömungsmusterkarten der Zweiphasensysteme mit Re-, Ca- und We-Zahlen als Koordinaten auf Basis rechnerischer Arbeiten vor. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Strömung bei höheren Re-, Ca- und We-Zahlen der organischen Phase in Richtung Parallelströmung bewegt. Bei hohen Re-, Ca- und We-Zahlen der wässrigen Phase und niedrigen Re-, Ca- und We-Zahlen der organischen Phase sind die Strömungsansätze Tröpfchenströmung.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung erhielt keine spezifischen Zuschüsse von Förderstellen im öffentlichen, kommerziellen oder gemeinnützigen Sektor.

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

Abteilung für Polymertechnik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Lorestan-Universität, Khorramabad, Iran

Amin Hassanvand

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YA: hat den Hauptmanuskripttext geschrieben und Abbildungen und Tabellen vorbereitet. Simulation: Alle Autoren überprüften das Manuskript. VG: schrieb den Haupttext des Manuskripts und bereitete Abbildungen und Tabellen vor. Alle Autoren überprüften das Manuskript. MH: schrieb den Haupttext des Manuskripts und bereitete Abbildungen und Tabellen vor. Alle Autoren überprüften das Manuskript. M.MS: schrieb den Haupttext des Manuskripts und bereitete Abbildungen und Tabellen vor. Alle Autoren überprüften das Manuskript. A.GK: schrieb den Haupttext des Manuskripts und bereitete Abbildungen und Tabellen vor. Alle Autoren überprüften das Manuskript. M.HK: schrieb den Haupttext des Manuskripts und bereitete Abbildungen und Tabellen vor. Alle Autoren überprüften das Manuskript. A.H.: schrieb den Haupttext des Manuskripts und bereitete Abbildungen und Tabellen vor. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Younes Amini.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Amini, Y., Ghazanfari, V., Heydari, M. et al. Computergestützte Fluiddynamiksimulation von Zweiphasenströmungsmustern in einem serpentinenförmigen Mikrofluidikgerät. Sci Rep 13, 9483 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36672-6

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Eingegangen: 21. April 2023

Angenommen: 07. Juni 2023

Veröffentlicht: 10. Juni 2023

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

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