توضیحات

پروژه شبیه سازی اختلاط سیال در جریان الکترواسموتیک درون میکروکانال و ریزمجرا در نرم افزار کامسول

 

Simulation of Micromixer in electroosmotic mixing flow in microchannel in COMSOL

 

 

 

دانلود مقاله مرجع

 

نیاز به استفاده از ریزسیستم ها و ریز جریان ها و چگونگی تکنولوژی ساخت آنها سبب انجام مطالعات گسترده ای در سالهای اخیر در این زمینه شده است. مطالعه کلی این ریزسیستم ها تحت عنوان ریزسیستم های الکترومکانیکی(MEMS) شناخته می شوند. گسترش این فناوری چنان سرعت گرفته است که ریزسیستم­هایی با مقياس طولی میکرو و نانو برای کاربردهای تجاری و تحقیقات علمی رواج پیدا کرده اند، به نحوی که امروزه در بسیاری از کاربردها مانند ریز شتاب سنج ها در کیسه هوای خودرو، فشارسنج ها در برخی لوازم پزشکی، ریز محرک ها در میکروسکوپ های الكترونی و ریز سیستم های جریانی برای انتقال هوشمند دارو مورد استفاده قرار می گیرند.

بنیادی ترین عضو در یک سیستم ریز جریانی عبارت است از یک کانال با قطر بسیار کم (قطر هیدرولیکی بین ۱ تا ۱۰۰ میکرومتر) که ریزمجرا یا میکروکانال(microchannel) نامیده می شود. به دلیل کوچک بودن مقیاس طولی ریز مجراها، نسبت سطح به حجم در آنها نسبتا بالا است و بنابراین برخی پدیده های سطحی که در جریان­های مقیاس بزرگ بی اثر هستند، در ریزجریان ها منشا اثرات قابل توجهی هستند. بررسی کامل اثرات حادث در فصل مشترک سیال و سطح جامد توسط علم الكتروکینتیک صورت می گیرد. در بسیاری از این سیستم ها پدیده اختلاط نقش حیاتی ایفا می کند و مطلوب است که در حداقل زمان و کوتاه ترین طول ممکن، اختلاطی همگن به دست آید. اساسی ترین نکته در اختلاط با مقیاس میکرونی این است که عامل این پدیده پخش مولکولی است و ذاتا فرآیند کندی می باشد، به ویژه زمانی که ضریب پخش کم باشد. به علاوه در این سیستم ها عدد رینولدز مربوط به ریز جریان های مایع بسیار اندک است. در رژیم های جریان با عدد رینولدز کم، اختلاط مغشوش به وجود نمی آید و بنابر این اختلاط فقط محدود به اثرات پخش مولکولی خواهد بود. درنتیجه بهبود راندمان اختلاط درون ریز سیستم ها یکی از چالش های MEMS است. برای بهبود اختلاط درون ریز سیستم ها می توان به مکانیزم های اختلاط فعال و یا غیر فعال متوسل شد. هر کدام از این روش ها مزایا و معایب خاص خود را دارند. استفاده از روش های فعال غالبا نتایج بهتری در مقایسه با روش های غیر فعال دارد. با این حال این روش، به سازوکارهای ویژه و تجهیزات اضافی نیاز دارند که برای مقاصد مورد نظر در طراحی MEMS مناسب نیستند. در مقابل روش های غیر فعال به صورت مستقل و با تکیه بر ویژگی های ذاتی خود، مانند هندسه و مشخصات فیزیکی می توانند منجر به بهبود اختلاط شوند.

اخیرا با استفاده از فناوری های جدید در زمینه شیمی سطوح و با استفاده از خواص پدیده های الكتروکینتیکی ریزمجراهایی ساخته شده است که با وجود هندسه ساده توانایی ایجاد جریانهای پیچیده را دارند و می توانند به عنوان ریز مخلوط گرهای(micro mixer) قدرتمند ایفای وظیفه نمایند. نکته اساسی درباره ی ریز مخلوط گرهای الکتروکینتیکی این است که خواص سطحی آنها به نحوی تنظیم شود که بتواند سیال مجاور خود را به طور موثرتر و مناسب تر تحت تأثیر قرار دهد.

لایه دوگانه الکتریکی(EDL):

هرگاه یک سطح باردار در مجاورت یک محلول الکترولیت قرار گیرد، توزیع یون های نزدیک خود را متاثر خواهد کرد، به طوری که یون های با بار مخالف سطح به دیواره جذب می شوند و یون های با بار موافق از دیواره دفع می گردند. به این گونه آرایش بارهای مثبت در سطح یک دیواره و بارهای مخالف در مجاورت آن لایه دوگانه الکتریکی(EDL) یا Electric Double Layer گفته می شود. اولین و ساده ترین مدل برای این پدیده توسط هلمهولتز ارائه شده است که در آن بارها در دو سمت فصل مشترک فاز مایع و جامد، لایه های ثابت و فشرده مولکولی پدید می آورند. در این مدل مكان بارها برای فاز مایع و یا جامد در سطح تماس در نظر گرفته می شود حال آنکه در مایعات، بارها برای رسیدن به سطح تماس باید بر نیروهای پخش حرارتی نیز غلبه کنند، از این رو این ذرات به صورت یک لایه ثابت در کنار سطح قرار نمی گیرند. برای بهبود این وضعیت، تئوری لایه پخش گوی- چپمن(Gouy-chapman theory) ارائه شده است. در این مدل با دورشدن از سطح غلظت يون ها و میزان پتانسیل به صورت غیر یکنواخت کاهش می یابد. استرن(Stern) این تئوری را تکمیل نمود و لایه دوگانه الکتریکی را به صورت یک لایه فشرده چسبیده به سطح و لایه پخش در نظر گرفت. میزان پتانسیل الکتریکی در مرز لایه فشرده و لایه پخش می تواند توسط آزمایشات تجربی تعیین شود. این پتانسیل با نام زتاپتانسيل(Zeta-potential) شناخته می شود. لایه خارج از لایه فشرده را که یون ها با آرایش نامنظم در آن قرار دارند لايه پخش می نامند. شکل زیر لایه دوگانه الکتریکی و آرایش ذرات سیال در نزدیکی سطح جامد باردار را نشان می دهد.

شکل مدل لایه دو گانه الکتریکی و آرایش ذرات سیال در نزدیکی سطح جامد باردار.

 

پدیده های الكتروکینتیک(Electrokinetic):

علم الكتروکینتیک به بررسی پدیده های مرتبط با حرکت نسبی دو فاز باردار یعنی الکترولیت و سطح جامد می پردازد. با توجه به نحوه مکانیزم حرکت نسبی پدیده های متفاوتی به وجود خواهند آمد که عبارتند از : الكترواسموتیک، الکتروفورسیس(Electrophoresis)، پتانسیل استریمینگ(Streaming potential) و پتانسیل ته نشینی(Settlement potential).

الکترواسموتیک(Electroosmotic):

این پدیده زمانی رخ می دهد که سطح جامد باردار (مانند یک لوله موئین و یا مجرای متخلخل) ساکن باشد و مایع الکترولیت بر اثر یک میدان الکتریکی خارجی به حرکت در آید. چنانچه سطح دارای بار منفی باشد، میدان الکتریکی نیرویی بر بارهای مثبت خالص سیال وارد می کند که آنها را به سمت کاتد میدان خارجی میراند. حرکت یونهای باردار باعث می شود که محلول الکترولیت بر اثر لزجت سیال به سمت کاتد حرکت کند. در شکل زیر حرکت آنیون ها و کاتیون ها و توزیع سرعت در جریان الکترو اسموتیک نمایش داده شده است.

شکل جریان الکترو اسموتیک الف) حرکت آنیون ها و کاتیون ها ب) توزیع سرعت.

 

جریان الکترو اسموتیک در میکروکانال ها و ریزمجراها با اعداد رینولدز پایین و نیروهای اینرسی ضعیف رخ می­دهد. این اتفاق نیازمند کانال ها با طول بلند برای اختلاط گونه های مختلف به واسطه پخش است. این نوع جریان بیشتر در نواحی مختلف وسایل شبکه های میکروکانالی شیمیایی و میکروشیمیایی مشاهده می شود. در تجهیزات میکروسیالی جریان الکترواسموتیک اغلب به عنوان وسیله ای برای اختلاط و انتقال همزمان سیال به کار می رود. خواص جریان های الکترواسموتیک تا حد زیادی وابسته به خواص سطح مورد استفاده است. ویژگی­های جریان و اختلاط به زتاپتانسیل، تغییرات pH محلول، نیروی يونی، ثابت الکتریکی و جذب مولکول های موجود در محلول روی دیواره بستگی دارد. بسیاری از سیستم ها که متکی بر پمپاژ الکترواسموتیک هستند از میدان الکتریکی به جای پمپ های مکانیکی استفاده می کنند. استفاده از الکترودها برای ایجاد اختلاط در وسایل کوچک در مقایسه با پمپ ها و شیرها یا راحت تر و مناسب تر است.

الکتروفورسیس(Electrophoresis)

حرکت یک سطح باردار و ذرات چسبیده به آن توسط میدان الکتریکی در یک سیال ساكن، الکتروفورسیس نام دارد. چنانچه جهت میدان الکتریکی از چپ به راست باشد، سطح دارای بار منفی به سمت چپ حرکت خواهد کرد. بررسی سرعت حرکت ذرات با توجه به شدت میدان الکتریکی اطلاعاتی را در مورد بار خالص، پتانسیل سطحی و دیگر خصوصیات فصل مشترک سیال و جامد می دهد.

پتانسیل استریمینگ(Streaming potential):

هنگامی که محلول الکترولیت در مجاورت سطح ساكن باردار به حرکت واداشته شود، میدان الکتریکی به وجود می آید. انتقال یونها جریانی الکتریکی را پدید می آورد که جریان استریمینگ نام دارد. تراکم این بارها در پایین دست جریان سیال و تخلیه نشدن آن سبب ایجاد یک میدان الکتریکی می شود که به آن پتانسیل استریمینگ گفته می شود. پتانسیل استریمینگ می تواند از طریق یک هادی الکتریکی خارجی تخلیه گردد. در شکل زیر حرکت سیال و جریان الکتریکی در پتانسیل استریمینگ نمایش داده شده است.

شکل جریان الکتریکی و پتانسیل استریمینگ.

 

پتانسیل ته نشینی:

هنگامی که ذرات باردار درون یک سیال تحت تاثیر نیروی گرانش با گریز از مرکز ته نشین شوند و یا به سمت سطح سیال حرکت کنند، اختلاف پتانسیلی در راستای حرکت ایجاد می شود که آن را پتانسیل ته نشینی می­نامند.

اختلاط در ریزمجراها و میکروکانال ها:

در سال های اخیر ایجاد سیستم های سیال با جریان مینیاتوری و رشد روزافزون تکنولوژی در این زمینه باعث شده است که موضوع اختلاط توجه زیادی را به خود جلب کند. این پدیده در طراحی و درک مفاهیمی از قبيل واکنشگرهای سیستم های تراشه ای آزمایشگاهی و تحلیل سیستم های بیولوژیک اهمیت حیاتی دارد. از آنجا که واکنش های مرتبط با این سیستم ها در مقیاس میکرون و حتی نانومتر رخ می دهند، اختلاط نمونه ها و واکنشگرها روی ریز ابزار بسیار ضروری است. یک مورد استفاده این دستگاه ها برای واکنشگرهای حرراتی – سیکلی در واکنش های زنجیرهای پلیمریزاسیون می باشد. کاربرد دیگری از ریز مخلوط گرها (micro mixer) برای ایجاد جریان پیوسته در آزمایش های سینتیکی واکنشی سریع می باشد. در این حالت اختلاط باید سریع تر از سرعت انجام واکنش که حتی به میکرو ثانیه می رسد، باشد. در برخی موارد از ریز مخلوط گرها برای این منظور استفاده می شود که دبی سیال مخلوط شده را به حداکثر ممکن برسانند. این ویژگی در مسائل پزشکی از قبیل تزریق دارو حائز اهمیت است. اختلاط برای بسیاری از کاربردهای مربوط به تراشه – های آزمایشگاهی هنوز یک چالش ضروری می باشد. اختلاط پروسه ی بسیار سختی در بسیاری از سیستم های میکرو سیالی از قبیل سیستم های آنالیز کامل میکرو می باشد. اختلاط سیالات دو یا چند گونه یکی از فرایندهای ضروری مورد نیاز برای شروع واکنش های بیولوژیکی و یا شیمیایی در اکثر برنامه های کاربردی در تراشه های آزمایشگاهی است.

طرح کلی یک ریز مخلوط گر الکترواسموتیکی متشکل است از یک ریزمجرای تخت که به سادگی قابل ساخت است. به کمک فناوری شیمی سطح می توان الگوی بارهای الکتریکی سطح ریز مجرا را به نحو دلخواه و مناسب تنظیم نمود. برای ایجاد جریان، این ریزمجرا می تواند در یک میدان الکتریکی جریان ساز (یعنی میدان الکتریکی در امتداد ریز مجرا) قرار گیرد و یا تحت اثر میدان فشار گذاشته شود و برای ایجاد اختلاط نیز می توان از خود میدان الکتریکی جریان ساز و یا میدان های الکتریکی اختلاط ساز (یعنی میدان هایی که در جهت عرضی ریز مجرا اعمال می شود) استفاده نمود.

 

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی اختلاط سیال در جریان الکترواسموتیک درون میکروکانال و ریزمجراها در نرم افزار کامسول(COMSOL) انجام شده است.

هندسه مسئله:

هندسه ریز اختلاط گر الکترواسموتیکی در شکل زیر نشان داده شده است. در این ریزاختلاط گر دو سیال از دو ورودی مختلف وارد یک کانال به عرض 10 میکرومتر می شوند. سپس سیالات وارد یک محفظه اختلاط حلقه­ای شکل می شوند که دارای چهار میکروالکترود تعبیه شده در دیواره بیرونی محفظه اختلاط در زوایای 45، 135، 45- و 135- درجه است.

شکل هندسه ریزاختلاط گر الکترواسموتیکی.

 

 

پارامترهای شبیه سازی:

 

مش بندی:

 

نتایج شبیه سازی:

خطوط جریانی میدان سرعت در ریزاختلاط گر(میکرومیکسر) الکترواسموتیکی در ثانیه 0.0375 = t.

 

 

کانتور پتانسیل الکتریکی برای ریزاختلاط گر الکترواسموتیکی:

 

 

 

 

نتایج غلظت و میدان سرعت در حالت پایا و نبود میدان الکتریکی:

 

 

نتایج غلظت و میدان سرعت در صورت اعمال میدان الکتریکی: