Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7029
Modellierung und Bewertung von Strömung und Transport in einem elektrisch erregten Mikromischer
I. Meisel
Zusammenfassung
Im vorliegenden Bericht werden neue Ergebnisse zur
mathematischen Behandlung und numerischen Simulation von
Flüssigkeits-Mikroströmungen vorgestellt und diskutiert. Die Erkenntnisse
werden auf die Optimierung zweier ausgewählter Mikromischer-Geometrien
angewandt. Zunächst wird der Satz der asymptotischen Randbedingungen
abgeleitet, welche die numerische Berechnung der Mischerströmungen deutlich
beschleunigen. Zur optimalen Vermischung geeignete Parameterkombinationen
werden mittels eines niedrigdimensionalen Modells gefunden, welches die
schnelle Berechnung zeitabhängiger, oszillierender Kanalströmungen erlaubt; auf
diese Weise kann der Parameterraum in kurzer Zeit abgetastet werden. Es werden
dann für die so gefundenen, optimalen Parameterkombinationen vollnumerische
Simulationen zur elektrischen Erregung einer Wirbelstraße sowie zur elektrisch
erregten Strömung in einem aufgefalteten Mäanderkanal durchgeführt, wobei nun
die asymptotischen Randbedingungen Verwendung finden. Die quantitative
Bewertung der Vermischungsgüte geschieht mit Hilfe mehrerer verschiedener
Kriterien, welche auf der Verfolgung von Partikeln in der Strömung beruhen. Es
zeigt sich, daß mit den hier untersuchten Geometrien eine sehr effiziente
Vermischung möglich ist.
Modeling
and evaluation of flow and transport in an electrically-excited micromixer
Abstract
In
the present report, new results regarding the mathematical treatment and the
numerical simulation of liquid micro flows are discussed. The results are
applied to optimize two micromixer geometries. At first, the set of asymptotic
boundary conditions is derived which significantly accelerates the numerical
computation of the mixing flows. Parameter combinations for optimal mixing are
found by means of a low-dimensional model, allowing for fast computation of
time-dependent, oscillating channel flows. That way, the parameter space can be
scanned efficiently. Full numerical simulations of the electrical excitation of
a vortex street and of the electrically-excited flow in a folded meander
channel are conducted for the optimal parameter combinations, with the
asymptotic boundary conditions in place. The quantitative evaluation of the
mixing quality is realized by means of several distinct methods based on
tracking particles in the flow. It turns out that for the investigated
geometries, efficient mixing is achieved.
VOLLTEXT
BIBLIOTHEK