tách hạt
Nồng độ 0.14% và 0.11% tương ứng với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật và hình thang.
Vi hạt quan tâm nói trên được cố định vị trí ban đầu tại mọi tường hợp mô phỏng. Có tọa độ ban đầu ở vị trí (2/3 , 0.5). Kết quả mô phỏng quỹ đạo chuyển động của vi hạt đã được trình bày ở chương trước 3.1.1 và dòng chảy trong vi kênh xoắn được thể hiện dưới đây hình 3.10. Do kênh dẫn là cong, dưới
tác dụng của lực li tâm, các phần tử chất lỏng có thêm chuyển động từ trong ra ngoài vuông góc với hướng dòng chảy chính, điều này gây ra hai xoáy Dean đối xứng nhau qua đường đối xúng tiết diện mặt cắt của kênh tiết diện hình chữ nhật trong khi hình thành ở phía ngoài kênh tiết diện hình thang. Cấu hình dòng Dean xung quanh vi hạt trên mặt cắt vuông góc với dòng chảy góp phần giải thích qúa trình dịch chuyển ngang của vi hạt được thể hiện ở hình 3.11, hình 3.12 trong 3 thời điểm: ban đầu, trong quá trình dịch chuyển và thời điểm hội tụ . Ban đầu với cả hai loại kênh dẫn, hạt mục tiêu không vận tốc đầu (hình 4 a, hình 5a) thành phần chuyển động dạt ngang dưới tác động của dòng Dean theo hai hướng khác nhau đối với mỗi kênh. Cấu hình dòng Dean tiếp tục giữ nguyên xu hướng ảnh hưởng tới vi hạt (hình 3.11b , hình 3.12b). Cuối cùng tại vị trí hội tụ lực cản của dòng Dean cân bằng với lực nâng quán tính (lực nâng bởi tường và lưc cắt của dòng chảy) ở hai kênh dẫn. Ngoài ra, tốc độ hội tụ của hạt quan tâm trong kênh hình thang (40 đơn vị) nhanh gấp 8 lần so với hạt có cùng vị trí tương đối trong kênh hình chữ nhật. Điều này có thể giải thích bằng khoảng cách từ hạt quan tâm đến vị trí cân bằng của mỗi loại kênh khác nhau. Do đó cùng vị trí tương đối, nhưng khoảng cách di chuyển để đạt đến vị trí hội tụ với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật là lớn hơn so với kênh dẫn hình thang.
Hình 3.10: Cấu hình dòng chảy thứ cấp, hai xoáy Dean hình thành đối xứng nhau qua đường tâm chính giữa vi kênh đối với tiết diện hình chữ nhật (a), trong khi với kênh dẫn hình thang hai xoáy Dean này hình thành gần thành ngoài của kênh.
Nồng độ 0.28% và 0.22 % tương ứng với kênh dẫn tiết diện hình chữ 32
Hình 3.11: Cấu hình dòng chảy Dean xung quanh hạt quan tâm trên tiết diện mặt cắt ngang của kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật tại thời điểm ban đầu (a) trong quá trình di chuyển (b) và thời điểm hội tụ (c). Thời điểm ban dầu hạt dưới tác dụng bởi dòng Dean chuyển động ngang về phía thành trong kênh dẫn và hội tụ tại vị trí này.
Hình 3.12: Cấu hình dòng chảy Dean xung quanh hạt quan tâm trên tiết diện mặt cắt ngang của kênh tiết diện hình thang tại thời điểm ban đầu (a) trong quá trình di chuyển (b) và thời điểm đạt đến hội tụ (c).
nhật và hình thang.
Hạt thứ hai được không vận tốc đầu có vị trí ban đầu (0.81 , 0.5) gần biên tường trong, gần với vị trí của hạt quan tâm (2/3 , 0.5) trong cả hai loại kênh dẫn. Tương tác của hai hạt gần nhau khiến cấu hình dòng Dean xung quanh mỗi hạt trên mặt cắt kênh khác với trường hợp 1, thể hiện ở hình 3.13. Tại thời điểm ban đầu ảnh hưởng của các hạt lên nhau có thể quan sát được thông qua các đường đẳng áp suất, đây cũng là kết quả mới có thể giải thích rõ hơn tương tác giữa các hạt đối với dòng chảy mà luận văn đưa ra trong khi các nghiên cứu thực nghiệm khác hiếm khi kiểm chứng được. Chính vì đặt gần nhau, sự tương tác này ảnh hưởng đến cấu hình dòng dean, điều này dẫn tới sự thay đổi trong quá trình dịch chuyển của các vi hạt trong cả hai kênh dẫn.Tại vị trí hội tụ, các hạt giữ nguyên xu hướng gần với tường trong đối với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật và gần với thành ngoài với kênh dẫn hình thang. Dòng Dean ở kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật bị chia tách thành 2 cặp xoáy nhỏ hơn ở hai phía trong và ngoài kênh dẫn đối với hạt quan tâm. Các hạt sẽ bị “bẫy” ở giữa hai cặp xoáy này.Trong khi với kênh dẫn tiết diện hình thang căp xóay Dean vẫn tồn tại và khiến hạt bị “bẫy” ở nửa mặt phẳng dưới đối với hình thang. Điều này cũng được xác nhận bởi Gu [2] . Khoảng cách giữa các hạt là không đổi sau khi chúng đạt đến vị trí hội tụ tương ứng là 0.1R và 2R đối với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật và tiết diện hình thang. Thời gian hội tụ của chuyển động các vi hạt trong kênh dẫn hình thang tiếp tục nhanh hơn (30 đơn vị) so với 700 đơn vị của kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật. Và tốc độ hội tụ này là lâu hơn so với trường hợp nồng độ thấp hơn (0.1%) đối với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật và xấp xỉ với kênh dẫn hình thang.
Nồng độ 0.7% và 0.55 % tương ứng với kênh dẫn tiết diện hình chữ 34
Hình 3.13: Cấu hình dòng Dean ở các mặt cắt lúc ban dầu và khi đạt được vị trí hội tụ: (a)(d) và (b)(c) với hạt hai tương ứng với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật và hình thang. hình tròn màu đen nét liền biểu thị hạt quan tâm, trong khi nét đứt biểu thị hạt còn lai. Các mặt đẳng áp suất thể thiện cách mà các hạt ảnh hưởng lên dòng Dean mà thực nghiệm không kiểm chứng được.
nhật và hình thang.
Khi tăng lên 5 hạt, ảnh hưởng mật độ hạt lên cấu trúc dòng Dean càng tăng. cụ thể, trong quá trình tiến tới vị trí cân bằng cấu trúc dòng Dean xung quanh hạt quan tâm tiếp tục thay đổi nhiều hơn so với hai trường hợp trên. Điều này dẫn đến ảnh hưởng dòng Dean lên hạt là thay đổi, điều này có thể quan sát được nhờ vào các dữ liệu mô phỏng contour áp suất và đường dòng Dean ( hình 3.14). Ở cả hai kênh dẫn đều xuất hiện nhiều hơn một ví trí cân bằng. Với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật, hạt ở gần biên tường ngoài (được đánh dẫu bằng hình tròn nét đứt màu tím ở hình 3.14 a và c) có vị trí hội tụ khác khi ở gần
thành ngoài, trong khi các hạt còn lại duy trì vị trí cân bằng thành trong của kênh dẫn. Tại thời điểm vị trí các vi hạt đạt vị trí cân bằng dòng dean trong kênh dẫn bị giới hạn bởi hai phía đối với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật (hình 3.14 (c)) và phía gần thành trong của kênh dẫn tiết diện hình thang. Ngoài ra cấu trúc dòng Dean cũng bị phá vỡ xung quanh vị trí hội tụ tập trung của nhiều hạt . Điều này có thể giải thích rằng các hạt bây giờ chuyển động giống như một hat có kích thước lớn hơn, điều này khiến dòng Dean không đủ mạnh để tác dụng như một lực chi phối quyết định đến vị trí cân bằng. Hiệu ứng tách hạt ở trong kênh dẫn hình thang cũng bị thay đổi, do phần lớn các hạt đều chuyển vị trí cân bằng đến vị trí gần biên trong của tường thay vì ở thành ngoài. Tốc độ hội tụ của kênh dẫn tiết diện hình thang (120 đơn vị) nhanh hơn so với 500 đơn vị của kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật. Tốc độ hội tụ của tiết diện hình thang lúc này chậm hơn so với nồng độ 0.22% (30 đơn vị). Do vị trí cân bằng của kênh dẫn tiết diện hình thang bây giờ đã dịch chuyển từ thành ngoài vào phía thành trong. Kết quả các hạt hội tụ ở các vị trí như trong hình 3.14 (d) .
Nồng độ 1.4% và 1.1% tương ứng với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật và hình thang.
Tiếp tục tăng nồng độ thể tích bằng cách thêm 5 vi hạt vào dòng chảy không vận tốc đầu. Sự tăng nồng độ này tiếp tục ảnh hưởng đến cấu hình dòng Dean (hình 3.15 ). Đối với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật, các hạt giữ nguyên xu hướng hội tụ về phía trong kênh dẫn. Dòng Dean chỉ bị hạn chế một phía ở phía trong kênh dẫn (hình 3.15c). Với kênh dẫn hình thang, phần lớn các hạt (80%) vẫn tiếp tục hội tụ vào vị trí cân bằng mới ở phía trong của kênh dẫn. Trong khi 20% còn lại bị “bẫy” ở trong xoáy Dean ở ngoài. Như vậy có thể nói rẳng khi tăng nồng độ, đối với kênh dẫn hình thang xoáy Dean ở phía ngoài vẫn tồn
Hình 3.14: Cấu hình dòng Dean ở các mặt cắt lúc tiến đến vị trí cân bằng và khi đạt được vị trí hội tụ : (a)(d) hạt một và (b)(c) với hạt hai tương ứng với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật và hình thang. Hình tròn màu đen nét liền biểu thị hạt quan tâm, trong khi nét đứt biểu thị ảnh hưởng của các hạt còn lại lên tiết diện khảo sát. Tại trạng thái hội tụ dòng Dean bị phá hủy tại các khu vực mà hạt có nồng độ tập trung lớn. Các hạt bị “bẫy” ở những khu vực này hình (c) (d).
tại đủ để bẫy được một số lượng hạt nhất định. Cặp xoáy này sẽ không được hình thành ở khu vực tập trung nhiều hạt ở phía trong của kênh dẫn. Giới hạn của việc giam hạt trong xoáy Dean trong kênh dẫn tiết diện hình thang sẽ được khảo sát ở các nồng độ lớn hơn.
Thời gian hội tụ của vị hạt của kênh dẫn hình thang (200 đơn vị) tiếp tục nhanh hơn nhưng không vượt trội so với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật (260 đơn vị) như các trường hợp trước. Có thể giải thích điều này bằng việc khi nồng độ hạt tăng lên, trong khi dòng Dean của kênh tiết diện hình thang bị ảnh hưởng
Hình 3.15: Cấu hình dòng Dean ở các mặt cắt ở thời điểm ban đầu và khi đạt được vị trí hội tụ : (a)(c) và (b)(d) tương ứng với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật và hình thang. Hình tròn màu đen nét liền biểu thị hạt quan tâm, trong khi nét đứt biểu thị ảnh hưởng của các hạt còn lai.
nhiều hơn so với kênh tiết diện hình chữ nhật. Khi đó thời gian hội tụ của vi hạt sẽ bị chậm đi. Đồng thời ở trạng thái cân bằng các hạt có xu hướng dao động nhỏ theo cả hai phương, điều này không xảy ra trong kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật. Ngoài ra, việc hình thành hai vị trí cân bằng của loại kênh dẫn này, sẽ làm ảnh hưởng đến hiệu suất tách hạt.