Numerical and experimental investigation of the effect of channel geometry on cavity formation in microfluidic channels

Abstract

Düşük basınçlı bölgelerdeki kavitasyon oluşumu, akışkanlar mekaniğinde kaotik bir bozulmaya sebep olmaktadır. Karmaşık doğası sebebiyle bu tarz çok fazlı akış modellemeleri hem zaman hem de bilgisayar gücü olarak pahalı olmaktadır. Bu modelleme çalışmalarının OpenFOAM gibi açık kaynaklı yazılımlar ile yapılması ise hem lisans maliyetini düşürmekte hem de, içerisinde kolayca değişiklik yapılmasına izin vermektedir. Bu kapsamda yapılan tez çalışmasında, OpenFOAM yazılımı kullanılarak, kavitasyon oluşabilecek farklı geometriler incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar hem literatür hem de, yapılan deneyler ile karşılaştırılmıştır. Çipler yumuşak fotolitografi ile üretilmiş ve florans parçacıklar ile karıştılan akış florans mikroskobu ile görüntülenmiştir. Sonuçlar OpenFOAM'un bu tip bir modellemeyi yapabildiğini göstermiştir. Kanal çapının arttırılmasının, baloncuk oluşumunu sağlayan basınç düşüşünü azaltmaktadır. Aynı zamanda kanal çapının düşürülmesinin ise sürtünme ve viskoz kuvvetlerin baskın hale gelmesine sebep olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, mikro kanallarda farklı geometrilerde incelenen kavitasyon oluşumu başarılı bir şekilde gözlemlenmiş ve deneyler ile doğrulanmıştır.

Cavitation formation in low pressure regions of a flow is a chaotic distortion in fluid mechanics. Due to the complicated nature of multiphase flows, its modelling is expensive in terms of time and computational power. Opensource softwares such as OpenFOAM reduce license expenses and provide a developer friendly environment to simulate these types of complicated flows. In this thesis, by using OpenFoam software, several different geometries that cause cavitation are investigated. Presented results are compared with both literature and supported by experimental results. Experiments are carried out in microfluidic chips that are fabricated with soft lithography technique; fluorescent particles were introduced in the flow and cavity formation was observed under a fluorescent camera. Results showed that, OpenFOAM is well capable of predicting the cavitation formation in small scales. It was observed that increasing channel width reduces the pressure difference causing bubbles to form in higher input pressures. It was also seen that decreasing the channel width causes friction and viscous forces to dominate and reduce the velocity of fluid preventing the cavitation to form. Overall the modelling of cavity formation in microchannels with varying width and cross sectional profile were successfully accomplished and results were verified with experiments.