Low-speed gas flows in micro-channels are investigated using a kinetic theory analysis. The Boltzmann equation simplified by a collision model is solved by means of a finite difference approximation with the discrete ordinate method. Calculations are made for flows in simple micro-channels and a micro-fluidic system consisting of two micro-channels in series. The results are compared well with those from the DSMC method and an analytical solutions to the Wavier-Stokes equations. It is shown that the present method is a useful tool for the modeling of low-speed flows in micro-channels.
In this paper, the cooling performance of a microchannel heat sink with nano-particle-fluid suspensions ('nanofluids') is numerically investigated. By using theoretical models of thermal conductivity and viscosity of nanofluids that account for the fundamental role of Brownian motion respectively, we investigate the temperature contours and thermal resistance of a microchannel heat sink with nanofluids such as 6nm copper-in-water and 2nm diamond-in-water. The results show that a microchannel heat sink with nanofluids has high cooling performance compared with the cooling performance of that with water, the classical coolant. Nanofluids reduce both the thermal resistance and the temperature difference between the heated microchannel wall and the coolant.
The slip effect from the molecular interaction between fluid particles and solid surface atoms plays a key role in microscale fluid transport and heat transfer since the relative importance of surface forces increases as the size of the system decreases to the microscale. There exist two models to describe the slip effect: the Maxwell slip model in which the slip correction is made on the basis of the degree of shear stress near the wall surface and the Langmuir slip model based on a theory of adsorption of gases on solids. In this study, as the first step towards developing a general purpose numerical code of the compressible Navier-Stokes equations for computational simulations of microscale fluid flow and heat transfer, two slip models are implemented into a finite element numerical code of a simplified equation. In addition, a pressure-driven gas flow in a microchannel is investigated by the numerical code in order to validate numerical results.
메탄을 생산하기 위한 하이드레이트 해리시 물과 메탄이 동시에 발생한다. 따라서, 지반 내 이온수의 담수화 및 다상유체의 흐름이 예상되고, 흙입자의 이동 및 막힘에 영향을 주게 된다. 본 연구는 담수화 및 다상유체 흐름이 대표적 세립토인 고령토 입자의 이동 및 막힘에 어떻게 영향을 주는지 규명하고자 한다. 연구 결과는 다음과 같다. (1) 공극의 크기가 커질수록 최소 막힘 발생 농도가 증가한다. (2) 고령토 입자는 소금물보다 담수에서 쉽게 뭉침 및 공극 막힘이 발생한다. (3) 다상유체 흐름 내에서 고령토의 최소 막힘 발생 농도는 단상유체 흐름에 비해 감소한다. 따라서, 하이드레이트로부터 메탄 생산 시, 담수화 및 다상유체의 흐름 발생으로 인해 고령토의 공극 막힘이 쉽게 발생할 수 있고, 이로 인해 투수계수의 저하로 메탄 생산효율의 저하가 예상됨을 설명하였다.
이산화탄소 지중저장 수행 중 저류층 내부에서 나타나는 비혼성 유체의 대체 과정은 다공성 매체의 공극 표면에 대한 각 유체의 습윤 특성에 따라서 배수(drainage)와 흡수(imbibition)로 구분되는데, 각 과정 동안 나타나는 비혼성 유체 간의 거동 및 포획 양상을 이해하는 것은 주입 효율성 및 저장 안정성을 평가하는데 매우 중요하다. 본 연구에서는 다공성 매체 내 주기적인 배수와 흡수 과정의 수행을 통해 공극 구조 내 비혼성 유체의 거동 양상 및 분포의 변화를 분석하고자 하였다. 이를 위하여 2차원 마이크로모델 내부로 이산화탄소와 공극수의 대체 유체로서 선정된 헥산과 탈이온수를 주기적으로 교차 주입하는 실험을 수행하였다. 관측 결과를 이용하여 각 유체 주입 과정에서 나타나는 두 비혼성 유체의 거동 양상을 비교 분석하고, 잔류 유체의 포화도를 산정하였다. 분석의 결과로서 헥산과 탈이온수의 잔류 포획 유형을 기작에 따라 습윤성(wettability), 모관압(capillarity), 막다른 공극(dead end zone), 포위(entrapment) 그리고 우회(bypassing)로 구분하였다. 또한, 교차 주입이 거듭됨에 따라 공극 구조 내에서 주입 유체의 흐름 경로는 주 흐름 경로(main flow channel)를 중심으로 단순화되었으며, 이로 인하여 주입 유체의 대체 효율은 일정한 값으로 수렴하였다. 실험적 관측과 분석의 결과는 실제 이산화탄소 지중저장 환경에서 습윤성-비습윤성 유체의 주기적인 교차 주입이 야기하는 저장층 내 비혼성 유체의 거동과 분포, 그리고 주입 유체의 대체 효율을 예측하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
As it is difficult to construct a micro-fluidic system composed of micro-mixers, micro-channels and/or micro-chambers in a single process, an assembly process is typically used. The assembling and bonding of micro-parts, however, introduces other problems. In this work, a virtual assembly process was developed that can be used to design various micro-systems before actual fabrication commences. In the process, the information required for the micro-stereolithography process is generated automatically. Consequently, complex micro-fluidic systems can be fabricated in a single process, thereby avoiding the need fur additional assembly or bonding processes. Using the developed process, several examples were fabricated.
It is of great interest to enhance mixing performance in a microchannel in which the flow is usually characterized as a low Reynolds number (Re) so that good mixing is quite difficult to be achieved in this laminar flow regime. In this regard, we present a new chaotic passive micromixer, named Barrier Embedded Micromixer (BEM), of which the mixing mechanism is based on chaotic flows. In BEM, chaotic flow is induced by periodic perturbation of the velocity field due to periodically inserted barriers along the channel wall while a helical type of flow is obtained by slanted grooves on the bottom surface of the channel in the pressure driven flow. To experimentally compare the mixing performance, a T-microchannel and a microchannel with only slanted grooves were also fabricated. All microchannels were made of PDMS (Polydimethylsiloxane) from SU-8 masters that were fabricated by conventional photolithography. Mixing performance was experimentally characterized with respect to an average mixing intensity by means of color change of phenolphthalein as pH indicator. It was found that mixing efficiency decreases as Re increases for all three micromixers. Experimental results obviously indicate that BEM has better mixing performance than the other two. Chaotic mixing mechanism, suggested in this study, can be easily applied to integrated microfluidic systems , such as Micro-Total-Analysis-System, Lab-on-a-chip and so on.
A theoretical and numerical investigation is performed on the flow in a micronozzle for precision-controlled sealant dispenser. The working fluid is a highly viscous epoxy used as sealant in producing LCD panels, which contains a number of tiny solid spacers. Flow analysis is conducted in order to achieve the optimal design of internal geometry of a nozzle. A simplified design analysis methodology is proposed for predicting the flow in the nozzle based on the assumption that the Reynolds number is much less than O(1). The parallel numerical computations are performed by using a CFD package FLUENT. Comparison discloses that the theoretical model gives a good prediction on the distribution of pressure and wall shear stress in the nozzle. However, the theoretical model has a difficulty in predicting the maximum wall shear stress as found in a limited region near edge by numerical computation. The theoretical and numerical simulations provide the good guideline for designing a dispensing micronozzle.
유체 디스펜싱(fluid dispensing) 방식인 Microplotter 시스템은 압전 소자를 통한 초음파 펌핑(pumpin)을 기반으로 유체를 분사한다. 이 기법은 넓은 범위의 점도를 가진 다양한 물질들이 마이크로 사이즈로 프린팅 되는 것을 가능하게 한다. 본 논문에서는 디스펜서 프린팅 기술에 대해 소개하고 장비를 이용한 다양한 공정을 이해 및 응용에 목적을 두고 있다. 또한, 분사 강도, 분사 시 팁의 높이, 분사 속도와 같은 매개변수들을 조절하여 장비의 최적화 방법에 대해 설명하고자 한다. 금속 나노 입자, 탄소나노튜브, DNA, 단백질 등 광범위한 유체와 호환된다는 Microplotter의 장점을 이용함으로써 인쇄전자, 생명공학, 화학공학 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
Polymer micro-fluidic devices were fabricated with laser processes. A UV laser and a femto laser were used to machine polymer micro-fluidic structures directly. This laser direct machining process suits the need of rapid prototyping, as in many applications changes from the original design are often required. As examples, two polymer micro-systems were developed: a micro-check valve and a micro diffuser pump. The micro fluidic devices can be applied for many applications such as clinical diagnostics and drug delivery. Advantages and disadvantages using polymers as a material for micro-fluidic applications are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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