مدل‌سازی عددی چند نوع میکرومیکسرهای الکتروسینتیکی فعال و غیرفعال با استفاده از معادلات پواسون- نرنست- پلنک- ناویر- استوکس

Abstract

میکرومیکسرها از اجزای حیاتی در دستگاه‌های آزمایشگاه-روی-تراشه به شمار می‌روند. کاربرد اصلی آنها اختلاط دوگونه سیال با کیفیت مطلوب در حداقل زمان اختلاط است. در این مقاله چند نوع میکسر فعال و غیرفعال با طراحی‌های نوآورانه به منظور افزایش کیفیت اختلاط و کاهش زمان آن مورد مطالعه عددی قرار گرفته‌اند. مدل‌سازی عددی توسط حل معادلات غیرخطی و به‌ هم‌ وابسته پواسون- نرنست- پلنک- ناویر- استوکس و با استفاده از کد خانگی رایان انجام گرفته است. این معادلات که در مقیاس محیط پیوسته پدیده‌های همرفت، مهاجرت الکتریکی و نفوذ مولکولی را در نظر می‌گیرند مدل دقیق‌تری از فیزیک واقعی غالب بر میکرومیکسرهای الکتروسینتیکی فعال با الکترودهای ولتاژ متغیر را ارایه می‌نمایند. روش‌های رایج و ساده‌سازی‌شده همچون مدل پواسون- بولتزمن بر پایه فرضیات ساده‌شده بنا شده‌اند و در نتیجه در مواردی مانند وجود پیچیدگی در هندسه و استفاده از الکترودهای ولتاژ متغیر دقت خود را به شدت از دست می‌دهند. از طرف دیگر مدل پواسون- بولتزمن از نظر حل عددی به مراتب از مدل پواسون- نرنست- پلنک- ناویر- استوکس ساده‌تر بوده و مدل‌سازی بر اساس آن از نظر عددی بسیار ارزان‌تر است. یکی از دستاوردهای این پژوهش نشان می‌دهد در میکرومیکسرهای غیرفعال با استفاده از چند مانع کوچک به عنوان جایگزین یک مانع بزرگ کیفیت اختلاط در نمونه مدل‌سازی‌شده به مقدار ۱۳% افزایش یافته است. یکی دیگر از دستاوردهای اصلی این پژوهش معرفی چیدمان همزمان الکترودهای عمودی و افقی ولتاژ متغیر با زمان برای اولین بار است. این طرح جدید موجب ایجاد فوران‌های عمود بر جریان اصلی می‌شود و اختلاط را بهبود می‌دهد. در نتیجه‌ تغییرات پیشنهادی در کار حاضر، بهبود افزایش کیفیت اختلاط به ۹۹% و کاهش زمان رسیدن به اختلاط پایدار به ۷/۲ثانیه حاصل شده است.