Experimental study of the bubble formation in T-Y junction micro-mixers

Etude expérimentale de la formation de bulles dans des micro mélangeurs de type de jonction T et Y

¹ Nancy Université, Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, CNRS-ENSIC, 1 rue Grandville, BP 20451, 54000 Nancy Cedex, France
² Université de Toulouse ; INSA,UPS,INP ; LISBP, 135 Avenue de Rangueil, F-31077 Toulouse, France
³ INRA, UMR792, Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés, F-31400 Toulouse, France
⁴ CNRS, UMR5504, F-31400 Toulouse, France

^* Corresponding author : Nicolas.Dietrich@insa-toulouse.fr

Abstract

The aim of this study is to investigate the bubble formation in different liquids within three types of gas-liquid micro-mixer geometries, including a T-junction and two Y-junctions. The bubble shape, size and formation mechanism were studied under various experimental conditions such as flow rates of both phases, physical properties of liquid and mixer’s geometries. A micro-Particle Image Velocimetry (μ-PIV) technique and a high speed camera were used to characterize and quantify gas-liquid flows. It was revealed that the bubble formation, in particular the bubble size, depends on the geometry of the mixing section. A correlation gathering numerous experimental data was elaborated for the estimation of bubble size. The influence of different parameters like flow rate ratio between two phases, mixer geometry and surface tension is well taken into consideration based on the understanding of bubble formation mechanism at microscale. This paper marks an improvement in the domain where no global correlations were available in T and Y-junction devices, and this correlation is then an useful tool for micro-mixer design.

Résumé

Le but de cet article est d’étudier la formation de bulles dans différents liquides dans trois types de géométries de micro-mélangeur gaz-liquide : une jonction en T et deux jonctions Y. La forme de la bulle, sa taille et les mécanismes de formation ont été étudiés dans différentes conditions opératoires (débits, propriétés physico-chimiques du liquide et géométries des mélangeurs). Un système de micro-Particle Image Velocimetry (µ-PIV) et une caméra à grande vitesse ont été utilisés pour caractériser et quantifier les écoulements gaz-liquide. Il a été trouvé que la formation de bulles, en particulier la taille des bulles, dépend de la géométrie de la section du mélange. Une corrélation regroupant de nombreuses données expérimentales a été élaborée pour estimer la taille des bulles. L’influence des différents paramètres comme le rapport des débits entre les deux phases, la géométrie du micro-mélangeur ou encore la tension superficielle ont été pris en considération en se basant sur l’analyse physique µ-PIV. Cette étude marque une amélioration dans le domaine où il n’existe pas de corrélations de ce type, créant ainsi, un outil utile pour le dimensionnement rapide de micro-systèmes gaz-liquide.