Caratterizzazione fluidodinamica di dispositivi microfluidici con geometria a croce

L’interesse crescente verso i dispositivi microfluidici è motivato da una larga serie di vantaggi, tutti derivanti dall’operare in continuo e dalla riduzione delle dimensioni caratteristiche, come l’elevato rapporto superficie-volume utile da cui consegue un netto miglioramento del trasferimento di calore. Come conseguenza, i dispositivi microfluidici consentono un ottimo controllo delle condizioni operative, garantendo la possibilità di condurre in sicurezza reazioni potenzialmente pericolose. Tutti i benefici sopra elencati rendono i microreattori molto appetibili per l’intensificazione di processo, al fine di sviluppare nuovi cammini di reazione più green, caratterizzati da minori sprechi e consumo di energia. Tuttavia, la reale applicazione dei dispositivi microfluidici per la conduzione delle reazioni chimiche deve far fronte al problema di garantire un buon miscelamento delle specie. Infatti, proprio a causa della riduzione delle dimensioni, il flusso all’interno dei microcanali è laminare e il mixing avviene solo per mezzo della diffusione. Pertanto, il mescolamento deve essere promosso attraverso un accurato design dei canali di ingresso e uscita del microdispositivo. Il presente lavoro di tesi è incentrato sullo studio fluidodinamico di un micromixer passivo con geometria a croce, costituito da quattro canali ortogonali e uguali tra loro, a sezione quadrata, che può essere impiegato sia nella configurazione con tre ingressi e singola uscita sia in quella con due ingressi e due uscite, a seconda dell’applicazione finale desiderata. In particolare, questo studio si propone, in entrambi i casi, la caratterizzazione dei regimi di flusso all’interno del Cross-mixer, mediante simulazioni numeriche basate sulla fluidodinamica computazionale (CFD). Per la prima configurazione, l’indagine viene condotta al variare sia del numero di Reynolds, p.e. Re=10÷400, associato alle portate dei fluidi in ingresso, sia del loro rapporto di portata, p.e. R=0.05 e 0.005. Nel secondo caso, invece, si lavora con portate uguali tra loro, con Re=10÷500. In entrambi i casi, sono state analizzate due diverse miscele liquide, p.e. acqua-acqua e acqua-etanolo, al fine di valutare come le proprietà fisiche dei fluidi influenzino i regimi di flusso. Inoltre, sono state effettuate le visualizzazioni sperimentali di flusso per il Cross-mixer con due ingressi e due uscite, operante con acqua-acqua; tali esperimenti, si sono mostrati in ottimo accordo con le predizioni numeriche, permettendo così di validare con successo il modello numerico. The increasing interest in microfluidic devices is motivated by several advantages coming from the continuous operation and the reduction of the characteristic dimensions, leading to a very large surface-to-volume ratio strongly enhancing heat transfer. As a consequence, microfluidic devices enable unprecedented control over the operating conditions, opening the possibility to safely conduct potentially dangerous reactions. All the above benefits make microreactors very appealing for process intensification, to develop new greener reaction routes with less waste and energy consumption. However, the actual application of microfluidic devices for chemical reactions has to face the problem of achieving a good mixing. Indeed, because of the size reduction, the flow inside the microchannels is laminar and mixing occurs just through diffusion. Hence mixing should be promoted by a special geometrical arrangement of the inlet and outlet channels. The present thesis focuses on the fluid dynamics study of a passive micromixer with a cross geometry, consisting of four orthogonal and equal channels, with a square section, which can be used either in the configuration with three inputs and single output or in with two inputs and two outputs, depending on the desired final application. In particular, this study wants to characterize the flow regimes inside the cross-mixer in both cases, carrying out numerical simulations based on computational fluid dynamics (CFD). For the first configuration, the investigation is carried out by varying both the Reynolds number, i.e. Re=10÷400 associated with the flow of the inlet fluids and their flow rate ratio, i.e. R=0.05 and 0.005. In the second case, we operate with equal flow rates with Re=10÷500. In both cases, we analyzed two different liquid mixtures, i.e. water-water and water-ethanol, to evaluate how physical properties influence flow regimes. Besides, experimental flow visualizations were performed for the cross-mixer having two inputs and two outputs and operated with water-water; such experiments were found to be in excellent agreement with the numerical prediction, thus successfully validating the numerical setup