Mikrokanallarda basınç düşümü, cidar kayma gerilmesi ve partikül fokuslanmasının sayısal olarak incelenmesi

Bu tez çalışmasının amaçlarından ilki, endotel ve immun sistem hücrelerinin farklı fiziksel koşullar altında sergiledikleri davranışları inceleyebilmek için üretilmesi amaçlanan bir mikroakışkan sistemin, üretim aşamasından önce tasarımının yapılarak basınç farklılıkları ve cidar kayma gerilmesi profillerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizlerinin yapılarak incelenmesidir. Çalışmanın ikinci amacı ise, hücre/partikül zenginleştirme/ayrıştırma işleminin bir önceki basamağı olarak görülen partikül fokuslanma işlemi üzerinde farklı debi değerleri ve partikül boyutları kullanılarak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizlerinin yapılarak incelenmesidir. Bu çalışmanın ilk kısmında elde edilen sayısal sonuçlar, literatürde yer alan deneysel çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Her iki çalışma içinde sayısal analizler Ansys-Fluent yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analizlerde akışkan olarak su (water-liquid) kullanılmıştır. Tez çalışmasının ilk kısmında analizler iki ve üç boyutlu olarak yapılmıştır. İki boyutlu analizlerde üç farklı mikrokanal geometrisi üzerinde incelemeler yapılırken üç boyutlu analizlerde beş farklı mikrokanal modeli kullanılmıştır. Mikrokanal modelleri belirlenirken detaylı literatür araştırması ve belirlenen kanalın üretilebilirliği faktörleri göz önünde bulundurulmuştur. Modellerin belirlenmesini müteakiben Ansys-Design Modeler yazılımı kullanılarak mikrokanal geometrileri oluşturulmuş daha sonra sayısal analizler için uygun çözüm ağları oluşturulmuştur. Çözümün ağdan bağımsız hale getirilmesi için farklı çözüm ağlarıyla birçok analiz yapılmıştır. Farklı hacimsel debiler ile birlikte farklı "aspect ratio" (en/boy) ve "expansion ratio" (genişleme oranı) değerleri kullanılarak sürekli rejim şartları altında HAD analizleri gerçekleştirilerek akışkanın mikrokanal giriş ve çıkışı arasındaki basınç farkı değerleri ile cidar kayma gerilmesi değerleri elde edilmiştir. Ayrıca düz mikrokanal geometrisi için analitik çözüm yapılmış ve sayısal olarak elde edilen basınç farkı ve cidar kayma gerilmesi değerleri analitik sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Ikinci kısımda simetrik kıvrımlı mikrokanal geometrisinde 150 μl/dak. debi değerinden başlanarak 1100 μl/dak. değerine kadar olan hacimsel debi değerlerinde partiküllerin davranışları incelenmiştir. Bu kapsamda 60 adet yarım daireden oluşan simetrik kıvrımlı mikrokanal geometrisi oluşturulmuştur. HAD analizleri için Ansys Fluent yazılımında ayrık faz modeli (DPM-Discrete Phase Model) kullanılmıştır. Bu bölümde ilk olarak 10 μm çapındaki partiküllerin çeşitli hacimsel debi değerlerindeki davranışları ve fokuslanma çizgileri sayısal olarak incelenmiş, elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Daha sonra 5, 7 ve 10 μm çaplarındaki partiküller kullanılarak partikül çapının fokuslanma üzerindeki etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Bu bölümde partikül fokuslanması üzerinde etkin rol oynayan birçok parametre ile ilgili teorik bilgide verilmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda fokuslanmanın sağlanmasına yönelik elde edilen bazı bulgular sayısal olarak doğrulanmıştır.