بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله اختلاط دو سیال با خواص مشابه آب را به صورت عددی و با استفاده از کد متن باز اپن فوم شبیه سازی شده و اختلاط در سه هندسه ی مختلف را مورد بررسی قرار گرفته است. در این میکرومیکسر از ترکیب جریان ناشی از الکترواسموتیک و جریان ناشی از گرادیان فشار استفاده شده است. ابتدا اختلاط دو سیال در سه هندسه ی مختلف، که دو ورودی دارای سه زاویه ی متفاوت 45 و 90 و 135 است، مورد بررسی قرار گرفته است. سپس، هندسه ای که دارای اختلاط بهتری است را انتخاب کرده و تاثیر موانع مستطیلی در ابعاد و جنس های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.
.1 مقدمه
در دهه های گذشته، تکنولوژی آزمایشگاه روی تراشه بسیار مورد توجه محقیقین قرار گرفته است که باعث توسعه ی میکروسیستم ها خصوصا در زمینه های شیمیایی و پزشکی شده است. بسیاری از این میکرو سیستم ها نیاز به اختلاط دو یا چند سیال دارند و رسیدن به بهترین اختلاط از اهمیت بسیار ویژه ای بر خوردار است. به طور کلی، میکرومیکسرها به دو دسته ی فعال و غیر فعال تقسیم می شوند.
میکرومیکسرهای فعال نیاز به انرژی خارجی دارند و و از آنجایی که افزایش انرژی ممکن است آثار مخربی بر روی سیال به ویژه در کابردهای پزشکی داشته باشد، خیلی مورد توجه قرار نمی گیرد. در حالی که میکرو میکسرهای غیر فعال با تغییر در جریان و هندسه ی کانال سعی در بهبود اختلاط دارند. به دلیل پایین بودن عدد رینولدز در میکرومیکسرها، پخش مولکولی به تنهایی قادر به ایجاد اختلاط مناسب در میکرومیکسرهای غیر فعال نیست. به همین دلیل محققین برای بهبود اختلاط در این سیستم ها، با ایجاد مانع یا سرعت نوسانی و ... سعی در برهم زدن جریان و در نتیجه بهبود اختلاط دارند.
وانکا و همکاران [1]، اختلاط جریان هایی با اعداد ریونولدز پایین در کانال های انحنادار را مورد بررسی قرار دادند. آن ها به این نتیجه رسیدند که با افزایش عدد رینولدز، شدت جریان ثانویه افزایش یافته و در نتیجه اختلاط بهبود می یابد. سلیمانی و همکاران [2]، یکی از اولین طراحان میکرو میکسر T شکل بودند. منصور و همکاران [3]، برای بهبود اختلاط در میکرومیکسرهای T شکل، این میکرو میکسر ها را با استفاده از نرم افزار fluent شبیه سازی کردند. ابراهیمی و همکاران [4]، شدت اختلاط انتقال حرارت دو سیال با خواص متفاوت را بررسی کردند. آن ها با قرار دادن مانع و تغییر جنس دیواره، عدد ناسلت و شدت اختلاط را افزایش دادند.
استفاده از میدان الکتریکی برای به حرکت در آوردن سیال در ابعاد میکرو، به دلیل ساخت آسان، کنترل راحت و عدم نیاز به ابزار مکانیکی، بسیاری از محققان را به خود جذب کرده است. یکی از مهم ترین شاخههای پدیدهی الکتروکینتیک، جریان الکترواسموتیک است که حرکت الکترولیت با توجه به بار سطحی دیوارهی کانال و میدان الکتریکی اعمالی ایجاد می شود. به دلیل وجود بار سطحی بر روی دیواره ی کانال، لایهی بسیار نازکی به نام لایهی دوگانه تشکیل می شود. با اعمال میدان الکتریکی، اختلاف پتانیل باعث حرکت این لایه ی باردار می شود و به دلیل لزجت سیال، حرکت لایهی دوگانه باعث به حرکت در آمدن سیال می شود.
بسیاری از محققین به صورت عددی [5-8] و آزمایشگاهی [9] و تحلیلی [10]، جریان الکترواسموتیک در میکروکانال را بررسی کردند. دقیقی و همکاران [11]، اختلاط دو سیال را با استفاده از جریان الکترواسموتیک در میکرومیکسر بررسی کردند. آن ها با قرار دادن گوی فلزی در میکرومیکسر و اعمال دو میدان الکتریکی در جهات مختلف، اختلاط دو سیال را بهبود بخشیدند. همچنین برا و همکاران [12]، جریان الکترواسموتیک در میکرومیکسر را شبیه سازی کردند و تاثیر حضور مانع فلزی در میزان اختلاط دوسیال را مورد بررسی قرار دادند.
در این مقاله، اختلاط دو سیال با استفاده از جریان ترکیبی الکترواسموتیک و جریان ناشی از گرادیان فشار در سه هندسه مختلف و برای حالتی که جنس دیواره در طول میکروکانال همگن است، مورد بررسی قرار گرفته است. سپس میکروکانالی که بالاترین کیفیت اختلاط را داراست، تاثیر مانع در ابعاد و جنس های مختلف بر اختلاط دوسیال، مورد بررسی قرار گرفته است.
.2 مدل عددی
در این شبیه سازی، دوبعدی، شرایط پایا، سیال تراکم ناپذیر، خواص ثابت و جریان آرام در نظر گرفته می شود. همچنین خواص دوسیال ورودی مشابه آب در نظر گرفته می شود. جنس دیوارههای کانال از دو مادهی مختلف در نظر گرفته می شود. یک جنس دارای بار سطحی قوی و جنس دیگر بدون بار الکتریکی است. سطوح باردار با مقادیر منفی و یا صفر پتانسیل زتا در طول کانال افقی پخش شده اند.
حرکت سیال توسط دستهای از معادلات شامل معادلات ممنتوم و پیوستگی، میدان الکتریکی، پتانسیل الکتریکی در لایهی دوگانه و معادلهی غلظت شبیه سازی می شود. در این مقاله، از مدل پویسون بولتزمن برای شبیه سازی جریان الکترواسموتیک استفاده می شود. با استفاده از این مدل پتانسیل الکتریکی در لایهی دوگانه به دست می آید و سپس به صورت ترم چشمه به معادله ی ممنتوم اضافه می شود.
لایهی دوگانه، از دو نوع لایه تشکیل می شود. اولین لایه، لایهای به ضخامت یک یون و بسیار نازک و مستحکم است که به همراه لایهای با استحکام کمتر و ضخامت بیشتر، لایهی دوگانهی الکتریکی را تشکیل می دهند. پتانسیل الکتریکی در پدیدهی الکتروکینتیک دارای دو ترم است: که پتانسیل الکتریکی است که از بیرون اعمال می شود و پتانسیل الکتریکی لایهی دوگانه است.
ولی چون معمولا در میکروکانال ها عدد پکلت بسیار کوچک است، می توان از ترم جا به جایی در معادله ی نرنست پلنک صرف نظر کرده و با تقریب بسیار خوبی معادلهی نرنست پلنک را به معادله ی توزیع بولتزمن ساده کرد. اختلاف این دو معادله زمانی زیاد می شود که نسبت اندازهی کانال به ضخامت دیبای کاهش یابد که این اتفاق در کانالهایی با ابعاد نانو اتفاق می افتد که معمولا لایهی دوگانه در دو طرف کانال برروی هم می افتد. در نتیجه معادلهی توزیع بولتزمن برای نانو کانال ها مناسب نیست.
