[논문]수치해석을 이용한 패시브 마이크로 믹서의 성능평가

이정익; 김철규

doi:10.15207/jkcs.2018.9.10.237

수치해석을 이용한 패시브 마이크로 믹서의 성능평가
Performance Assessment of Passive Micromixer using Numerical Analysis 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.10, 2018년, pp.237 - 242

이정익 (인하공업전문대학 기계설계과) , 김철규 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부)

초록
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마이크로 믹서는 랩-온-어-칩이나 마이크로 유체 기기의 하나의 구성품으로 두 가지의 화학 물질을 혼합(융합)하는 장치이다. 본 연구는 다양한 형상의 패시브 마이크로 믹서의 성능을 평가하는 것을 목적으로 한다. 다양한 형상의 마이크로 믹서는 총 6가지의 형상을 비교하였고, 서로 동일한 수력 직경을 갖도록 3차원 모델링하였다. 내부 혼합 유동을 전산모사하기 위해여 상용 유동해석 프로그램인 ANSYS Fluent를 사용하였다. 수치해석 방법은 본 논문에 자세하게 기술하였다. 마이크로 믹서의 성능 평가는 혼합 지수와 압력 강하로 비교하였고, 결론적으로 CDM-8T은 합리적인 혼합성능과 상대적으로 낮은 압력 강하를 갖는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

A micromixer is a component of a lab-on-a-chip or microfluidic device that mixes two or more chemicals together(convergence). The purpose of this study is to assess the performance of passive micromixer of various shapes. Six shapes of micromixers were compared and three dimensional modeling was carried out to have the same hydraulic diameter. The commercial code, ANSYS Fluent, was used to simulate the internal mixing flow. A numerical analysis method is described in detail in this paper. The performance of the micromixer was compared with the mixing index and pressure drop. Consequently, the CDM-8T shape showed reasonable mixing performance and relatively low pressure drop.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Classification of micromixer types [1]
그림 Fig. 2 micromixer models for performance assessment; (a) 3D-Serpentine(model 1), (b) SGM (model 2), (c) SHM (model 3), (d) SOR-1(model 4), (e) SOR-2(model 5), (f) CDM-8T (model 6)
표 Table 1. Geometry parameters of micromixers
그림 Fig. 3. Comparison of the experimental and numerical results at the cross sections [1]; (a) 0.2mm, (b) 0.4mm, (c) 0.6mm, (d) 0.8mm
그림 Fig. 4 Validation result of numerical model
그림 Fig. 5. Comparison of the concentration distribution at the cross sections of 0.2mm interval with each model; (a) model 1, (b) model 2, (c) model 3, (d) model 4, (e) model 5, (f) model 6,
그림 Fig. 6. Comparison of the mixing index of each model along the length of micromixer
그림 Fig. 7. Mixing index results of each model at the outlet of micromixer
그림 Fig. 8. Pressure drop results of each model between inlet and outlet

AI 본문요약
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가설 설정

본 연구에서 혼합 성능의 적절한 비교를 위하여 Re =1인 층류유동(laminar flow)으로 가정하였고, 두 유체의 Pe = 9×105으로 가정하여 난류(turbulence flow)의 영향이 전무하고 점성(viscosity)이 높아 두 유체 사이의 물질 확산(mass diffusivity) 또한 거의 이루어지지 않는 상태로 하였다.

제안 방법

1) Mixing index와 Pressure drop value를 사용하여 Passive micro mixer의 성능에 대한 비교하였다.
2) 각 micromixer 형태에 따른 단면에서의 농도장을 비교하였다.
각 모델은 UNIX 기반의 모델링 프로그램인 GAMBIT을 이용하였으며, 각 형상들은 110μm의 수력직경과 1mm의 길이로 동일하게 모델링하였다.
본 연구는 실험적 연구 결과를 기반으로 총 6개의 마이크로 믹서 형상을 동일한 수력 직경으로 모델링하고, 수치해석 방법을 이용하여 마이크로 믹서의 성능을 혼합 지수를 이용하여 평가하는 융합연구를 수행하였다. 또한 마이크로 믹서 입출구에 발생하는 압력 강하를 서로 비교함으로써 합리적인 혼합 성능과 상대적으로 낮은 압력 강하를 갖는 모델을 도출하였다.
수치해석을 위한 경계조건(boundary condition)으로 마이크로 믹서의 입구(inlet)은 유속 조건(velocity condition)을 주었으며, 각 유체는 동일한 유속으로 하였다. 또한 출구는 대기압 조건(atmosphere condition)으로 하였고, 벽 조건(wall condition)은 매끄러운 벽면(smooth wall)으로 No-Slip 조건으로 하였다.
본 연구는 6개의 상이한 형상을 가진 마이크로 믹서의 혼합 성능을 수치해석을 이용하여 비교하였으며, 융합연구의 필요성을 인식하며 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 실험적 연구 결과를 기반으로 총 6개의 마이크로 믹서 형상을 동일한 수력 직경으로 모델링하고, 수치해석 방법을 이용하여 마이크로 믹서의 성능을 혼합 지수를 이용하여 평가하는 융합연구를 수행하였다. 또한 마이크로 믹서 입출구에 발생하는 압력 강하를 서로 비교함으로써 합리적인 혼합 성능과 상대적으로 낮은 압력 강하를 갖는 모델을 도출하였다.
본 연구에서 수치해석 방법을 검증하기 위하여 대표적인 혼돈 이류 혼합에 관한 Strook 등[1]의 SHM의 실험결과를 이용하여 비교 검증하였다. Fig.
수치해석을 위한 경계조건(boundary condition)으로 마이크로 믹서의 입구(inlet)은 유속 조건(velocity condition)을 주었으며, 각 유체는 동일한 유속으로 하였다. 또한 출구는 대기압 조건(atmosphere condition)으로 하였고, 벽 조건(wall condition)은 매끄러운 벽면(smooth wall)으로 No-Slip 조건으로 하였다.
5에 가까울수록 혼합이 잘 된 것으로 보는 방법이다. 이때, 혼합 성능은 길이 방향을 따라 한 단면의 농도 분포의 표준 편차(standard deviation) [7]를 이용하여 혼합의 정도를 결정하였다. 이때, 농도 분포의 표준 편차가 0에 가까울수록 두 유체의 혼합이 잘 이루어졌다고 할 수 있다.
으로 가정하여 난류(turbulence flow)의 영향이 전무하고 점성(viscosity)이 높아 두 유체 사이의 물질 확산(mass diffusivity) 또한 거의 이루어지지 않는 상태로 하였다. 일반적으로 이러한 조건 상태는 거의 없지만 혼합 성능을 명백하게 비교하기 위하여 두 유체의 무차원수 조건을 물리량 변수들을 통하여 제어하였다.

대상 데이터

본 연구에서 수동형 마이크로 믹서 중 혼돈 이류(chaotic advection flow)에 의해 혼합을 하는 3D-Serpentine(모델 1) [3], SGM(모델 2) [1], SHM(모델 3) [2], SOR-1(모델 4) [5], SOR-2(모델 5) [5]와 CDM 모델 중 가장 혼합성능이 우수한 CDM-8T(모델 6) [4] 등(Fig. 2 참조)을 연구대상으로 선정하였다. 각 모델은 UNIX 기반의 모델링 프로그램인 GAMBIT을 이용하였으며, 각 형상들은 110μm의 수력직경과 1mm의 길이로 동일하게 모델링하였다.
이러한 동일한 수력직경으로 비교할 때, 보다 적절한 성능 비교를 수행할 수 있다. 각 모델들은 정렬 격자를 사용하였고, 각 형상에 따라 150만 개에서 180만 개의 격자로 구성하였다. 모델의 형상 데이터는 Table 1과 같이 정리하였다.

이론/모형

두 유체의 혼합 성능을 확인하기 위하여 농도 방정식(concentration equation)을 이용하였으며, 농도는 수동 스칼라 방법(passive scalar method)을 이용하였다. 수동 스칼라 방법은 두 유체의 농도를 0과 1로 주어 완전한 혼합 시 0.

성능/효과

5) 앞으로 다양한 범위의 Pe와 Re에서의 mixing 효율에 대한 연구 필요하다.1) Strook 등[2]의 시험 결과를 근거로 수치해석 모델을 검증하였으며, 혼합 지수의 실험 및 수치해석 결과를 비교하였을 때, 잘 일치함을 보였다.
3) 본 연구에서 선택한 모델들 중에서는 SOR-2와 CDT-8T가 자장 믹싱효울이 좋은 것으로 나타났다.
4) 또한, SOR-1과 SOR-2가 큰 압력차를 보였으며, 상대적으로 CDM-8T는 낮은 압력차를 보여 Mixing INDEX 및 Pressure drop을 고려했을 때 CDM-8T의 성능이 더 우수함이 나타났다.
4와 같이 비교하였고, 평균 약 9% 이내의 오차를 보였다. 대체적으로 잘 일치하고 있음을 확인하였다.
낮은 압력 강하는 유체를 공급하는데 요소되는 에너지를 줄일 수 있기 때문에 경제성이 높아진다. 모델 4와 모델 5는 혼합 성능이 우수하지만 압력 강하는 상대적으로 높은 각각 7.0kPa과 6.78kPa를 보였다. 그러나 모델 6의 경우 높은 혼합 성능에도 불구하고 모델 4와 5에 비해 상당히 낮은 3.

후속연구

5) 앞으로 다양한 범위의 Pe와 Re에서의 mixing 효율에 대한 연구 필요하다.1) Strook 등[2]의 시험 결과를 근거로 수치해석 모델을 검증하였으며, 혼합 지수의 실험 및 수치해석 결과를 비교하였을 때, 잘 일치함을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 믹서란 무엇인가?	마이크로 믹서는 랩-온-어-칩이나 마이크로 유체 기기의 하나의 구성품으로 두 가지의 화학 물질을 혼합(융합)하는 장치이다. 본 연구는 다양한 형상의 패시브 마이크로 믹서의 성능을 평가하는 것을 목적으로 한다.
	기존에 개발된 마이크로 믹서의 성능을 비교하기 어려운 이유는 무엇인가?	다양한 모델의 패시브 마이크로 믹서 [1-8]는 각기 실험결과를 도출하기 위하여 서로 다른 기준으로 제작이나 연구되어 왔다. 따라서 서로 다른 기준 하에서 각 마이크로 믹서는 제대로 그 성능을 평가할 수 없었다. 또한 적절한 마이크로 믹서를 적용하기 위한 비교 데이터가 전무한 실정이다.
	액티브 마이크로 믹서의 특징은 무엇인가?	마이크로 믹서는 Fig. 1과 같이 크게 패시브 마이크로믹서와 액티브 마이크로 믹서로 구분되며, 액티브 마이크로 믹서는 외부의 힘으로 혼합하는 반면 패시브 마이크로 믹서는 믹서의 형상에 의해 발생되는 내부유동으로만 혼합 하는 방식이다[1]. 이러한 패시브 마이크로 믹서는 저렴하게 대량 생산이 가능한 장점 때문에 많은 연구와 산업 분야에서 연구되고 있다.

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상세보기
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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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