Un método de Boltzmann enrejado promediado en profundidad e incompresible para el flujo de líquido en dispositivos microfluídicos con apertura variable
Autores: Laleian, Artin; Valocchi, Albert J.; Werth, Charles J.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2015
Acceso abierto
Artículo científico
2015
Un método de Boltzmann enrejado promediado en profundidad e incompresible para el flujo de líquido en dispositivos microfluídicos con apertura variable
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería de Sistemas
Palabras clave
Experimentos microfluídicos
Modelos a escala de poros 2D
Método de Boltzmann en retícula
Arrastre viscoso
Cálculos de permeabilidad
Simulaciones 3D
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 17
Citaciones: Sin citaciones
Los modelos de poros a escala de dos dimensiones (2D) han simulado con éxito experimentos microfluídicos de flujo de fase acuosa con reacciones controladas por mezcla en dispositivos con pequeñas aberturas. Un modelo 2D estándar no es generalmente apropiado cuando la presencia de precipitado mineral o biomasa crea geometrías de poros tridimensionales (3D) complejas e irregulares. Modificamos el método de Boltzmann de red de 2D (LBM) para incorporar la resistencia viscosa de las superficies superior e inferior del dispositivo microfluídico (micromodelo), típicamente excluida en un modelo 2D. La resistencia viscosa de estas superficies se puede aproximar escalando uniformemente un campo de velocidad 2D estacionario a bajo número de Reynolds. Demostramos una mayor precisión aproximando la resistencia viscosa con una fuerza de cuerpo derivada analíticamente que asume un perfil de velocidad parabólico local a lo largo de la profundidad del micromodelo. La precisión del campo de velocidad 2D generado y la permeabilidad de la simulación no se han evaluado en geometrías con apertura variable. Obtenemos permeabilidades con un error aproximado del 10% y líneas de corriente precisas con el método 2D propuesto en comparación con los resultados obtenidos de simulaciones 3D. Además, el método propuesto requiere un tiempo de ejecución de CPU aproximadamente 40 veces menor que un método 3D estándar, lo que representa un beneficio computacional significativo para cálculos de permeabilidad.
Descripción
Los modelos de poros a escala de dos dimensiones (2D) han simulado con éxito experimentos microfluídicos de flujo de fase acuosa con reacciones controladas por mezcla en dispositivos con pequeñas aberturas. Un modelo 2D estándar no es generalmente apropiado cuando la presencia de precipitado mineral o biomasa crea geometrías de poros tridimensionales (3D) complejas e irregulares. Modificamos el método de Boltzmann de red de 2D (LBM) para incorporar la resistencia viscosa de las superficies superior e inferior del dispositivo microfluídico (micromodelo), típicamente excluida en un modelo 2D. La resistencia viscosa de estas superficies se puede aproximar escalando uniformemente un campo de velocidad 2D estacionario a bajo número de Reynolds. Demostramos una mayor precisión aproximando la resistencia viscosa con una fuerza de cuerpo derivada analíticamente que asume un perfil de velocidad parabólico local a lo largo de la profundidad del micromodelo. La precisión del campo de velocidad 2D generado y la permeabilidad de la simulación no se han evaluado en geometrías con apertura variable. Obtenemos permeabilidades con un error aproximado del 10% y líneas de corriente precisas con el método 2D propuesto en comparación con los resultados obtenidos de simulaciones 3D. Además, el método propuesto requiere un tiempo de ejecución de CPU aproximadamente 40 veces menor que un método 3D estándar, lo que representa un beneficio computacional significativo para cálculos de permeabilidad.