3차원 마이크로 믹서에서 나선지수와 혼돈류의 관계

Abstract

최근 MEMS 들의 급격한 발달로 그의 구성요소에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 하나인 마이크로 믹서를 통한 혼합물의 균일한 혼합은 시스템의 신뢰성 향상과 성능개선을 가져다준다. 하지만 마이크로 믹서의 특성길이는 매우 작아 거의 모든 유동이 층류이며 유체간의 혼합은 순수하게 혼합속도가 느린 분자확산에 의존하게 된다. 그러므로 미소 유동에서 유체간의 빠른 혼합은 중요한 이슈이다. 최근에는 마이크로 시스템에서 빠른 혼합을 성취하기 위해 층류 영역에서 혼돈류를 생성시키는 방법이 활발하게 연구되고 있다. 혼돈류의 분석은 dynamical system techniques를 이용하여 수행될 수 있으나 particle tracking 등의 시간과 비용을 많이 요구하는 부가 계산이 필요하여 믹서의 최적화 작업 등에 비효율적이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 inert-particle-tracking method를 이용하여 혼돈류의 특성을 분석하고 강도를 정량적으로 나타내었다. 또한 믹서 전체에서 발생하는 혼돈류 크기를 정량화할 수 있는 대표적인 dynamical system techniques 인 Lyapunov exponent 값과 나선지수의 관계를 규명함으로써 나선지수가 믹서에서 발생하는 혼돈류의 정량적인 크기를 대표하는 값임을 증명하여, 유동장을 이용하여 빠르고 간단하게 계산되는 나선지수는 마이크로 믹서의 혼합 성능을 효과적으로 예측할 수 있으며, 믹서의 설계 및 최적화에 매우 적합한 해법임을 밝혔다.; A micromixer is a key component of various microfluidic systems, such as microreactors and μ-total analysis systems. A key factor for passive micromixer design is to generate chaotic advection, which is an efficient way to enhance mixing in laminar flow regime. In this paper, chaotic characteristic is analyzed through the Lyapunov exponent which can quantify the rate of chaotic advection. Also standard deviation and particle distribution are used to compare the mixing performance at various Reynolds numbers. And Helix index (H_(I)) is newly defined to quantify chaotic advection in three-dimensional micromixers. Result show that Helix index and chaotic advection are closely related. Consequently, Helix index can forecast chaotic advection in micromixer and is useful method to quantify the chaotic advection for mixing.