Study of fluid flow in micromixer with symmetrical and asymmetrical inlet conditions

Étude de l'écoulement de fluides dans un micromélangeur sous conditions d'entrée symétriques et asymétriques

¹ Institute of Thermophysics SB RAS, Lavrentiev avenue, 1, 630090, Novosibirsk, Russian Federation
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² Siberian Federal University, Kirensky 26, 660074, Krasnoyarsk, Russian Federation
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³ Novosibirsk State University of Civil Engineering, Leningradskaya 113, 630008, Russian Federation
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Abstract

Flow regimes and mixing pattern in a T-type micromixer at high Reynolds numbers were studied by numerical solution of the Navier-Stokes equations and by micro-PIV and micro-LIF experimental measurement. The Reynolds number was varied from one to one thousand. The cross section of the mixing channel was 200 μm×400 μm and its length was 3000 μm. Five different flow regimes were identified: (i) stationary vortex-free flow (Re < 5); (ii) stationary symmetric vortex flow with two horseshoe vortices (5 < Re < 150); (iii) stationary asymmetric vortex flow (150 < Re < 240); (iv) nonstationary periodic flow (240 < Re < 400); (v) stochastic flow (Re >400). Maximum mixing efficiency was obtained for stationary asymmetric vortex flow. In this case, an S-shaped vortex structure formed in the flow field. Also the numerical investigation of flow and mixing in the T-shaped micromixer with asymmetrical inlet conditions for different Reynolds numbers was carried out. The good agreement between calculation and experiment was obtained as a result.

Résumé

Les régimes d'écoulement et le mode de mélange dans un micro-mélangeur en forme de T à grands nombres de Reynolds ont été étudiés par résolution numérique des équations de Navier-Stokes et par mesure expérimentale, par micro-PIV et micro-LIF. Le nombre de Reynolds variait de un à mille. La section transversale du canal de mélange était de 200 µm x 400 µm et sa longueur de 3000 µm. Cinq régimes d'écoulement différents ont été identifiés : (i) écoulement stationnaire sans phénomène de vortex (Re < 5), (ii) écoulement tourbillonnaire stationnaire symétrique avec deux tourbillons en fer à cheval (5 < Re < 150), (iii) écoulement tourbillonnaire stationnaire asymétrique (150 < Re < 240), (iv) écoulement périodique instationnaire (240 < Re < 400), (v) écoulement stochastique (Re > 400). L'efficacité de mélange maximale a été obtenue pour l'écoulement de vortex stationnaire asymétrique. Dans ce cas, une structure de tourbillon en forme de S est formée dans le champ d'écoulement. L'analyse numérique de l'écoulement et du mélange dans le micro-mélangeur en forme de T avec des conditions d'entrée asymétriques pour différents nombres de Reynolds a également été effectuée. Un bon accord a été obtenu entre calcul et expérience.