Numerical investigation of y-shaped and CSC micromixers

Abstract

Micromixers are one of the key parts in microfluidic devices. Therefore, passive micromixers have become a popular research topic. In this thesis, parametric optimization of a Y-shaped micromixer with mixing chamber is documented. Design parameters are; alpha () for the angle between the two inlet angles, beta () for the angle between the z axis and one of the inlet channels and theta () for the angle between the other inlet channel, z-eccentricity (zecc) is the distance between the centerline of an inlet channel and origin of the mixing chamber along z-axis, x-eccentricity (xecc) is the distance between the intersection point of the two inlets and the origin of the mixing chamber along x-axis, ratio of the inlet and outlet channel length (L1/L2), ratio of the inlet and outlet channel diameter (D1/D2), ratio of the inlet channel length and diameter (L2/D2) and ratio of mixing chamber volume to the total volume(Vsp). = 180o - 240o range and zecc= 20m corresponds to the optimal range. Effect of each parameter on the system is discussed and the best performing 3 mixer designs are further investigated. The optimized design yields 88.16% mixing efficiency with 9244.4 Pa pressure drop when Reynolds number is 81. Furthermore, performance of this design is compared with a reference design. The comparison shows that optimized design decreases the pressure drop more than 50% for all Reynolds numbers while having a higher mixing efficiency (up to 35%) with low Reynolds numbers (0.054-3).

Verimlilik üzerine artan odak nedeniyle mikroakış cihazları üzerindeki ilgi artmaktadır. Mikrokarıştırıcılar mikroakış cihazlarının anahtar parçalarından biridir. Bu nedenle pasif mikrokarıştırıcılar popüler bir araştırma konusu haline gelmiştir. Bu tezde Y-şekilli ve karıştırma hazneli mikrokarıştırıcı üzerinde parametrik bir çalışma anlatılmaktadır. Bu mikrokarıştırıcı için tasarım parametreleri; iki giriş kanalı arasındaki açı alfa (), z ekseni ile giriş kanallarından biri arasındaki açı beta () ve diğer giriş kanalı ile z ekseni arasındaki açı teta (), giriş kanalı merkez çizgisi ile karıştırma küresinin merkez noktası arasındaki z ekseni üzerindeki mesafe z-eksantrikliği (zecc), iki giriş kanalının kesişim noktası ile karıştırma küresinin merkez noktası arasındaki x ekseni üzerindeki mesafe x- eksantrikliği (xecc), giriş ve çıkış kanallarının uzunluklarının oranı (L1/L2), giriş ve çıkış kanallarının çaplarının oranı (D1/D2), giriş kanalının uzunluğunun çapına oranı (L2/D2) ve karıştırma küresi hacminin toplam hacme oranı (Vsp).  açısının 180o - 240o aralığında ve zecc’nin 20m değerinde optimum olarak değerlendirilebileceği görüldü. Ancak  açıları için ya da xecc için spesifik bir değer bulunamadı. Tüm tasarım parametrelerinin sisteme olan etkisi tartışıldı ve en iyi karıştırma verimine sahip 3 tasarım incelenmeye devam edildi. Sonuç olarak 1. tasarımın optimum tasarım için iyi bir yakınsama olacağı düşünüldü. Seçilen tasarım Reynolds sayısı 81 iken %88.16 karıştırma verimini 9244.4 Pa basınç düşümü ile verebilmektedir. Sonrasında bu tasarımın performansı çalışmanın sağlaması için kullanılan temel tasarımın performansı ile karşılaştırıldı. Bu karşılaştırma ile seçilen tasarımın temel tasarıma göre tüm Reynolds sayılarında %50 basınç düşümü tasarrufu yaptığı ve düşük Reynolds sayılarında (0.054-3) %35’e kadar daha yüksek karıştırma verimi elde ettiği görüldü.