Analyse par CFD de l’effet pariétal de la géométrie sur l’amélioration hydrodynamique et thermique du mélange des fluides.

Abstract

الملخص(بالعربية):

يعتبر خلط السوائل في أجهزة الخلط الدقيقة مجال بحث مثير للاهتمام. حيث تصنف أجهزة الخلط الدقيق بشكل عام إلى فئتين: ساكن ونشط. في أجهزة الخلط الدقيقة الساكنة يحدث جريان السوائل النيوتونية وغير النيوتونية وفق نظام رقائقي بأعداد رينولدز منخفضة بسبب أبعادها الصغيرة جدا وهذا مايشكل تحديا كبيرا لخلط السوائل. الهدف من هذه الأطروحة هو تصميم جهاز خلط دقيق ذو كفاءة محسنة على أساس تعديل خصائص هندسية معينة باستخدام برنامج CFD .يتم استخدام هذا الأخير لحل المعادلات التي تحكم الظاهرة الفيزيائية لخلط السوائل. تم إجراء دراسة بارامترية لجهاز الخلط الدقيق ذو طبقتين من القنوات المتقاطعة (TLCCM) من خلال تعديل منطقة التقاطع واختصار طوله الى النصف،مما أدى إلى تحسين أداءاته. تمت مقارنة أداءات جهاز الخلط الدقيق الأمثل الذي تم الحصول عليه من هذه الدراسة البارامترية مع أجهزة خلط دقيقة أخرى تم اقتراحها سابقا من طرف مؤلفين آخرينL ،OH و OXحيث أظهرت نتائج المقارنة أن جهاز الخلط الدقيق الأمثل له أعلى أداء للخلط الهيدروديناميكي والحراري مع أقل خسارة للضغط وأيضًا أقل تكلفة لطاقة الخلط. تم إجراء تحقيقات عددية لفحص أداء الخلط للسوائل غير النيوتونية (سوائل ترقق القص)داخل أجهزة الخلط الدقيق (TLCCM ،L ،OH،وOX). المقارنة التي تم إجراؤها من حيث درجات الخلط الهيدروديناميكي والحراري، وتوزيعات الأجزاء الكتلية، وخطوط درجة الحرارة، على طول وفي مخارج أجهزة الخلط الدقيقة، سمحت لنا باستنتاج أن جهاز الخلط الدقيقTLCCMلديه أيضًا أفضل أداءات. لخلط السوائل غير النيوتونية مقارنة بالأجهزة الأخرى.

الكلمات المفتاحية:خلطالموائع،الخلطالحراري،أرقامرينولدزضعيفة،جهازخلطدقيقساكن،ضياعالضغط،التكلفةالطاقويةللخلط،ديناميكاالموائعالحسابية،الهندسةالمعقدة ،التأفقالفوضوي. ---------------------------------------------- Résumé (en Français) : Le mélange des fluides dans des dispositifs micromélangeurs est un domaine de recherche très intéressant. Les micromélangeurs sont généralement classés en deux catégories : passifs et actifs. Dans les micromélangeurs passifs, l’écoulement des fluides Newtoniens et non-Newtoniens s’effectue en régime laminaire à de faibles nombres de Reynolds à cause de leurs dimensions réduites. Ce qui pose un défi pour le mélange des fluides. L’objectif de cette thèse est la conception d’un micromélangeur d’efficacité améliorée basée sur la modification de certains paramètres géométriques en utilisant l’outil CFD. Un code commercial CFD est utilisé pour la résolution des équations qui gouvernent le phénomène physique de mélange de fluides. Une étude paramétrique a été menée pour un micromélangeur à deux couches de canaux croisés de type TLCCM en modifiant la zone de croisement et en réduisant sa longueur de moitié, ce qui a conduit à une amélioration de leurs performances. Le micromélangeur optimal obtenu à partir de cette étude paramétrique a été comparé avec d'autres micromélangeurs proposés par d’autre auteurs (L, OH et OX). Les résultats de la comparaison ont montré que le micromélangeur optimal a les performances de mélange hydrodynamique et thermique les plus élevées avec la plus faible perte de pression et présente aussi le coût énergétique de mélange le plus bas. Des investigations numériques ont été menées pour examiner les performances de mélange des fluides non-Newtoniens (rhéofluidifiants) au sein des micromélangeurs considérés (TLCCM, L, OH, et OX). L’étude comparative réalisée en termes des degrés de mélange hydrodynamique et thermique, des distributions de la fraction massique, des contours de température, le long et à la sortie des micromélangeurs, nous a permis de conclure que le micromélangeur TLCCM présente aussi les meilleures performances de mélange des fluides non-Newtoniens que les autres micromélangeurs. Les mots clés :Mélange de fluides, Mélange thermique, Faible nombre de Reynolds, Micromélangeur passif, Perte de pression, Coût énergétique de mélange, CFD, Géométrie complexe, Advection chaotique.

----------------------------------------------

Abstract (en Anglais) : The mixing of fluids in micromixers is a very interesting field of research. Micromixers are generally classified into two categories: passive and active. In Passive Micromixers The flow of Newtonian and non-Newtonian fluids occurs in a laminar regime at low Reynolds numbers because of their small dimensions. This poses a challenge for the mixing of fluids. The objective of this thesis is the design of an improved efficient micromixer based on the modification of some geometric parameters using the CFD tool. CFD commercial code is used for solving the equations that govern the physical phenomenon of mixing fluids. A parametric study was carried out for two-layer crossing channels micromixer (TLCCM) by modifying the crossing zone and reducing its length to the half, which led to an improvement in its performances. The optimal micromixer obtained from this parametric study was compared with other micromixers proposed by other authors (L, OH and OX). The results of the comparison showed that the optimal micromixer has the highest hydrodynamic and thermal mixing performances with the lowest pressure drop and also with the lowest mixing energy cost. Numerical investigations were carried out to examine the mixing performances of non-Newtonian fluids (shear thinning) within the considered micromixers (TLCCM, L, OH, and OX). The comparative study carried out in terms of hydrodynamic and thermal mixing degrees, mass fraction distributions, temperature contours, along and at the outlet of the micromixers, allowed us to conclude that the TLCCM micromixer also has the best performance. For the mixing of non-Newtonian fluids than other micromixers. Keywords :Fluid mixing, Thermal mixing, Low Reynolds number, Passive micromixer, Pressure drop, Mixing energy cost, CFD, Complex geometry, Chaotic advection.