تحلیل عددی مرز تمایز زبری سطح و موانع دیواری در جریان آرام فشار- محرک درون ریزمجراهای ناصاف

در مقاله حاضر، جریان آرام فشار- محرک درون ریزمجرایی متشکل از دو صفحه موازی تخت با دیواره‌های ناصاف شبیه‌سازی شده است. ناصافی‌های سطح دیواره‌ها دارای پروفیل سینوسی به ارتفاع نسبی 0.15≥ h/h≥  0 می‌باشد. معادلات حاکم با استفاده از روش حجم محدود در یک شبکه غیریکنواخت با تعامد حداکثر خطوط شبکه در مجاورت مرزهای ناصاف و در دستگاه مختصات عمومی دوبعدی حل شده‌اند. در اولین گام، ناصافی‌های سطح یک دیواره، به دو دسته زبری سطح و موانع دیواری تقسیم‌بندی شده است. سپس مرز تمایز زبری سطح از موانع دیواری با تعریف و به‌کارگیری دو معیار کیفی و کمی تعیین شده است. بر اساس معیار کیفی، هنگامی که ناصافی‌های سطح از نوع زبری سطح است، توزیع فشار در خط مرکزی همانند ریزمجرای کاملاً صاف، خطی است. اما هنگامی که ناصافی‌های سطح از نوع موانع دیواری است، توزیع فشار در خط مرکزی نوسانی است. در معیار کمی، متوسط نیروهای قائم و برشی در مجاورت سطح ناصاف با دقت محاسبه و با هم مقایسه می‌شوند. بر اساس نتایج، در جریان آرام درون ریزمجراهای تخت ناصاف، مزر تمایز زبری سطح و موانع دیواری (h / hcr ) برابر مقدار 0.042 می‌باشد که مستقل از δp و re است.

numerical analysis of distinction boundary of surface roughness and wall blocks in laminar pressure-driven flow within the rugged microchannels

in the present study, a laminar pressure-driven flow within a microchannel consisting of two parallel flat plates with rugged walls has been simulated. the walls’ surface ruggednesses have sinusoidal profiles with relative heights of 0≤h/h≤0.15. the governing equations in a two-dimensional general coordinate are solved using the finite-volume method in a non-uniform grid with the maximum orthogonality of the grid lines adjacent to the rugged boundaries. in the first step, the surface ruggednesses of the wall are divided into two categories: surface roughness and wall blocks. then, the boundary of surface roughness from wall blocks is determined by defining and applying two qualitative and quantitative criteria. according to the qualitative criterion, when the surface ruggedness is of the order of surface roughness, the pressure distribution at the centerline remains as linear as a perfectly smooth microchannel. but when the surface ruggednesses are of the order of wall blocks, however, the pressure distribution at the centerline is oscillating. also, on the quantitative criterion, the average shear and normal forces just adjacent to the rugged surfaces are accurately calculated and compared. according to the results, in laminar flow within the rugged planar microchannels,  is 0.042 which is independent of δp.