[논문]엇갈림 배플 구조의 마이크로 채널 내 유동 및 혼합 특성에 관한 수치해석적 연구

허성규; 허영근; 허형석; 서용권

엇갈림 배플 구조의 마이크로 채널 내 유동 및 혼합 특성에 관한 수치해석적 연구
A NUMERICAL STUDY ON FLOW AND STIRRING CHARACTERISTICS IN A MICROCHANNEL WITH PERIODIC ARRAY OF CROSS BAFFLES 원문보기

허성규 (동아대학교 대학원 기계공학과) , 허영근 (동아대학교 기계공학과) , 허형석 (동아대학교 기계공학과) , 서용권 (동아대학교 기계공학과)

In the microfluidics devices the most important thing is mixing efficiency of various fluids. In this study a newly designed mixer is proposed to enhance the mixing effect with the purpose to apply it to microchannel mixing in a short future. This design is composed of a channel with cross baffles periodically arranged on the both bottom and top surfaces of the channel. To obtain the flow patterns, the numerical computation was performed by using a commercial code, ANSYS CFX 10.0. To evaluate the mixing performance, we computed Lyapunov exponent and obtained Poincare sections.

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문제 정의

본 연구에서는 엇갈림 배플 구조의 채널에 대한 수치해석을 통하여 마이크로 채널 믹서의 유동 및 혼합 특성에 대해 분석하였다. 결론을 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 이 연구결과들을 참조하여 궁극적으로 마이크로 채널 내 유동의 혼합에 응용하기 의한 목적으로 새로이 설계된 채널의 혼합특성을 규명하고자 한다. 개발되었다.
개발되었다. 앞선 연구자들이 제안한 혼합장치에 비해 이 장치는 채널의 기하학적 형상을 다소 간단한 구조로 하고 짧은 채널의 길이로도 혼합효과를 더 높일 수 있음을 보여주고자 한다. 이를 위해 포앙카레 단면(Poincare section)으로 지역적 혼합특성을 규명하였고 혼합효과의 정량화에는 리야푸노프 지수(Lyapunov exponent)!- 人]용하였다.

가설 설정

1에서 보여준 해석 모델에 대한 입출구 경계조건을 설명한다. 입구면에서는 완전발달 유동으로 가정하여 Gondret 등[1이이 제시한 속도곡선을 적용하였다.

제안 방법

얻어진 속도 장으로 수동적 유체입자(passive 闵rticle)의 운동방정식을 적분하여 유선을 구하는데 이 또한 CFX 툴을 사용하여 구한다. 그 다음, 포앙카레 단면과 리야푸노프 지수를 구함에 있어서는 위에서 구해진 유선의 정보를 이용하여 지정된 단면을 통과하는 입자의 위치를 보간법으로 구하는 방법을 적용하였다.
구분할 수 있다. 그러나 본 연구에서는 이러한 목적보다는 유입 단면의 절반에 입자를 분포시키고 이것이 지정된 단면에 도착한 모양을 분석하기 위해 포앙카레 단면을 구하였다.
여기서 격자는 비정렬 사면체 형태이며 격자 수는 11, 000, 000 개 정도이다. 얻어진 속도 장으로 수동적 유체입자(passive 闵rticle)의 운동방정식을 적분하여 유선을 구하는데 이 또한 CFX 툴을 사용하여 구한다. 그 다음, 포앙카레 단면과 리야푸노프 지수를 구함에 있어서는 위에서 구해진 유선의 정보를 이용하여 지정된 단면을 통과하는 입자의 위치를 보간법으로 구하는 방법을 적용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 대상으로 하는 마이크로 채널은 100pm의 폭을 갖는다. 이 정도 크기에서 흐름은 연속류(continuum flow regime : Kn<0.

이론/모형

우선, 지배방정식인 Navier-Stocks 방정식을 상용 프로그램인 CFX를 사용하여 해를 구한다. 여기서 격자는 비정렬 사면체 형태이며 격자 수는 11, 000, 000 개 정도이다.

성능/효과

(3) 수치해석 결과에 의하면 전체적으로 양의 리야푸노프 지수를 보이므로 혼돈적 교반의 양상을 기대할 수 있다.
리야푸노프 지수의 값이 정의되어 있지 않은 지점은 두 입자 모두 혹은 그 중 하나의 입자가 미처 그 단면에 도달하지 않았기 때문이며, 그 이유는 입자가 벽면 가까이 놓이게 되면 매우 느린 유속으로 진행하기 때문이다. 전체적으로 보면 양의 리야푸노프 지수가 지배적이다. 이것은 본 구조가 혼돈적 교반 즉 양호한 혼합을 일으키고 있음을 의미한다 그러나 시간이 갈수록(즉 하류로 갈수록) 지수의 값이 정의되지 않은 지점이 늘어나고 있다.

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