بررسی تجربی تولید فوم در کانال مقیاس میکرو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی شاهرود

2 دانشگاه شاهرود

3 Shahrood University of Tech, Shahrood, Iran

چکیده

در دستگاه‌های آزمایشگاه-روی-یک-تراشه می‌توان با حجم کمی از سیالات، آزمایش‌هایی در مقیاس کوچک، انجام داد. در این مقاله حباب‌هایی با اندازه‌ای مشخص در یک دستگاه میکروسیالاتی جریان متمرکز تولید و بررسی می‌شود. ساخت دستگاه میکروسیالات به کمک لیتوگرافی نرم انجام شد. هنگامی‌که تراکم حباب‌های تولید شده به اندازه کافی بالا باشند، حباب‌ها در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند که به صورت کریستال فوم جریان می‌یابند. تنظیم حباب‌ها در میکروکانال برحسب نرخ جریان و فشار گاز ورودی مطالعه شده و این وابستگی، رفتارهای دینامیکی مانند پایداری در جریان فوم را تعیین می‌کند. در دستگاه جریان متمرکز، دو نوع فوم تر و خشک تولیدشده و نتایج نشان می‌دهد که فشار کاری در بازه600 تا 700 میلی بار منجر به رفتار غیرخطی در فوم می‌شود که علاوه بر آشکارسازی ناپایداری به بیان چرایی این رفتار پرداخته شده است. در ادامه بررسی رفتار غیرخطی فوم در نرخ جریان‌های،1/0 و 2/0 میلی‌لیتربرساعت شکل حباب‌ها به صورت نوسانی تغییر می‌یابد و حباب‌های یک و دو ردیفه در میکروکانال تولید می‌شوند. همچنین، افزایش نرخ جریان در فشارثابت باعث کاهش و افزایش فشار کاری در نرخ جریان ثابت باعث افزایش سایز حباب می‌شود. از مزایای این روش می‌توان به تولید امولسیون با حجم متناسب با کاربرد در ازدیاد برداشت نفت نام برد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental Study of Foam Generation in a Microfluidic Device

نویسندگان [English]

  • HR Zanganeh 1
  • A Bazzazi 2
  • Mohsen Nazari 3
  • MH Kayhani 2
1 SUT
2 SUT
چکیده [English]

Small scale tests can be conducted using Lab-on-a-chip devices with very tiny amount of fluids. In this paper, bubbles is generated with certain size in a flow focusing microfluidic device. Microfluidic device can be manufactured by SOFT LITHOGRAPHY. When the bubble density is high enough, they come in to contact, and they flow in the form of crystal foam. The flow of the foams in the channel depends on the liquid flow rate and inlet gas pressure. This shall determine dynamic behaviors of the flow such as super-stability. Two types of foam including wet and dry foams are generated in flow focusing device. At certain pressure of 600 to 700 (mbar), the foam behavior is switched to non-linear behavior in which the shape of bubble is changed in period of time. At specific flow rate of 0.1 and 0.2 (ml/hr), it is observed that bubbles are generated in one raw and some others are in two within channel which are called hex-one and hex-two. The effects of increasing the flow rate at constant pressure (which reduces the size of the bubble) and the effects of increasing the pressure in the constant flow rate (which increases the size of the bubble) are investigated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Lab-on-a-Chip
  • Microfluidic
  • Flow focusing
  • Bubble
  • Foam
  • Soft lithography

مراجع

[1]  G.F. Christopher, S.L. Anna, Microfluidic methods for generating continuous droplet streams, Journal of Physics D: Applied Physics, 40(19) (2007) R319.
[2]  W. Drenckhan, S. Cox, G. Delaney, H. Holste, D. Weaire, N. Kern, Rheology of ordered foams—on the way to discrete microfluidics, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 263(13) (2005) 52-64.
[3]  D.C. Duffy, J.C. McDonald, O.J. Schueller, G.M. Whitesides, Rapid prototyping of microfluidic systems in poly (dimethylsiloxane), Analytical chemistry, .4894-4794 )8991( )32(07
[4]  G.G. Bernard, L. Holm, Effect of foam on permeability of porous media to gas, Society of Petroleum Engineers Journal, 4(03) (1964) 267-274.
[5]  L. Holm, The mechanism of gas and liquid flow through porous media in the presence of foam, Society of Petroleum Engineers Journal, 8(04) (1968) 359-369.
[6]  J. Hanssen, T. Holt, L. Surguchev, Foam processes: An assessment of their potential in North Sea reservoirs based on a critical evaluation of current field experience, in: SPE/DOE Improved Oil Recovery Symposium, Society of Petroleum Engineers, 1994.
[7]  L.L. Schramm, Foam sensitivity to crude oil in porous media, in, ACS Publications, 1994.
[8]  W.R. Rossen, Foams in enhanced oil recovery, Foams: Theory, Measurements and Applications, 57 (1996) 413-464.
[9]  R. Farajzadeh, A. Andrianov, P. Zitha, Investigation of immiscible and miscible foam for enhancing oil recovery, Industrial & Engineering chemistry research, 49(4) (2009) 1910-1919.
[10]  G.J. Hirasaki, C.A. Miller, M. Puerto, Recent advances in surfactant EOR, in: SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Society of Petroleum Engineers, 2008.
[11]  R. Farajzadeh, A. Andrianov, R. Krastev, G. Hirasaki, W.R. Rossen, Foam–oil interaction in porous media: implications for foam assisted enhanced oil recovery, Advances in colloid and interface science, 183 (2012) 1-13.
[12] K. Ma, R. Liontas, C.A. Conn, G.J. Hirasaki, S.L. Biswal, Visualization of improved sweep with foam in heterogeneous porous media using microfluidics, Soft Matter, 8(41) (2012) 10669-10675.
[13]  T. Thorsen, R.W. Roberts, F.H. Arnold, S.R. Quake, Dynamic pattern formation in a vesicle-generating microfluidic device, Physical review letters, 86(18) (2001) 4163.
[14]  P. Guillot, A. Colin, Stability of parallel flows in a microchannel after a T junction, Physical Review E72(6)(2005)066301.
[15]  P. Garstecki, M.J. Fuerstman, H.A. Stone, G.M. Whitesides, Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junction—scaling and mechanism of break-up, Lab on a Chip, 6(3) (2006) 437-446.
[16] C.S. Smith, On blowing bubbles for Bragg’s dynamic crystal model, Journal of Applied Physics, 20(6) (1949) .136-136
[17] A.M. Ganán-Calvo, J.M. Gordillo, Perfectly monodisperse microbubbling by capillary flow focusing, Physical review letters, 87(27) (2001) 274501.
[18]  A.M. Gañán-Calvo, M.A. Herrada, P. Garstecki, Bubbling in unbounded coflowing liquids, Physical review letters, 96(12) (2006) 124504.
[19]  S.L. Anna, N. Bontoux, H.A. Stone, Formation of dispersions using “flow focusing” in microchannels, Applied physics letters, 82(3) (2003) 364-366.
[20] P. Garstecki, I. Gitlin, W. DiLuzio, G.M. Whitesides, E. Kumacheva, H.A. Stone, Formation of monodisperse bubbles in a microfluidic flow-focusing device, Applied Physics Letters, 85(13) (2004) 2649-2651.
[21] M. Hashimoto, G.M. Whitesides, Formation of Bubbles in a Multisection Flow‐Focusing Junction, Small, 6(9) (2010) 1051-1059.
[22] P. Garstecki, H.A. Stone, G.M. Whitesides, Mechanism for flow-rate controlled breakup in confined geometries: A route to monodisperse emulsions, Physical review letters, 94(16) (2005) 164501.
[23]  B. Dollet, W. Van Hoeve, J.-P. Raven, P. Marmottant, M. Versluis, Role of the channel geometry on the bubble pinch-off in flow-focusing devices, Physical review letters, 100(3) (2008) 034504.
[24]  P. Garstecki, M.J. Fuerstman, G.M. Whitesides, Nonlinear dynamics of a flow-focusing bubble generator: An inverted dripping faucet, Physical review letters, 94(23) (2005) 234502.
[25]  J.-P. Raven, P. Marmottant, F. Graner, Dry microfoams: formation and flow in a confined channel, The European Physical Journal B-Condensed Matter and Complex Systems, 51(1) (2006) 137-143.
[26] P. Garstecki, G.M. Whitesides, Flowing crystals: nonequilibrium structure of foam, Physical review letters, 97(2) (2006) 024503.
[27] T. Beatus, T. Tlusty, R. Bar-Ziv, Phonons in a onedimensional microfluidic crystal, Nature Physics, 2(11) (2006) 743.
[28] J.-P. Raven, P. Marmottant, Microfluidic crystals: dynamic interplay between rearrangement waves and flow, Physical review letters, 102(8) (2009) 084501.
[29] F.P. Bretherton, The motion of long bubbles in tubes, Journal of Fluid Mechanics, 10(2) (1961) 166-188.
[30] I. Cantat, N. Kern, R. Delannay, Dissipation in foam flowing through narrow channels, EPL (Europhysics Letters), 65(5) (2004) 726.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 7
مهر 1399
صفحه 1729-1740

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار