مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی و بهینه سازی اثر هندسه و بارگذاری سطح بر راندمان اختلاط الکترواسموتیک در میکروکانال‌های همگرا-واگرا به روش سطح پاسخ

نویسندگان
یاسر بساطی 1
امید رضا محمدی پور 2
حمید نیازمند 1
1 دانشگاه فردوسی مشهد
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران
چکیده
در این تحقیق اثرات توزیع پتانسیل سطحی و تغییرات هندسی بر میزان اختلاط الکترواسموتیک مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه مورد بررسی در این پژوهش، مجموعه‌ای از میکرو کانال‌های همگرا-واگرا دوبعدی با نسبت‌های مختلف واگرایی است. شبیه سازی جریان الکترواسموتیک به کمک روش عددی شبکه بولتزمن و با تکیه بر حل معادلات ناویر-استوکس و پواسون-بولتزمن برای محاسبه توزیع میدان سرعت و بار الکتریکی صورت گرفته است. صحت شبیه سازی با مقایسه میان حل عددی به دست آمده از روش شبکه بولتزمن و حل تحلیلی موجود در شرایط بارگذاری یکنواخت مورد ارزیابی قرار گرفته است. در ادامه از روش سطح پاسخ به منظور ارائه رابطه کلی بین متغیرها جریان و در نهایت بهینه سازی شرایط جریان براساس دبی عبوری و راندمان اختلاط استفاده گردیده است. نتایج عددی حاکی از آن است که با افزایش میزان نسبت پتانسیل سطحی و نسبت واگرایی، دبی افزایش و راندمان اختلاط در خروجی کاهش می‌یابد. نوع بارگذاری تاثیر چندانی در میزان دبی ندارد در حالی که اثرات آن بر راندمان مخلوط قابل توجه است. علاوه بر این نتایج نشان داده‌اند که میزان حساسیت دبی و راندمان اختلاط به تغییرات زتاپتانسیل سطح بیشتر از تغییرات نسبت واگرایی است. در انتها پارامترهای بهینه‌ توسط روش سطح پاسخ محاسبه شدند. بر اساس این بهینه‌سازی، مقادیر بهینه 0.5، 0.6 و pp-nn به ترتیب برای نسبت پتانسیل سطح، نسبت انسداد و نوع بارگذاری جهت حصول بیشینه دبی و راندمان اختلاط به طور همزمان به دست آمدند.
کلیدواژه‌ها
شبکه بولتزمن
اختلاط
الکترواسموتیک
روش سطح پاسخ
بهینه سازی

عنوان مقاله English

Investigation and optimization of geometry and zeta-potential effects on electroosmotic mixing efficiency in converging-diverging microchannels by response surface methodology

نویسندگان English

yaser basati 1
Omid Reza Mohammadipour 2
Hamid Niazmand 1
1 Ferdowsi University of Mashhad
2 Mechanical Engineering Department,Payame Noor University (PNU),Tehran, Iran
چکیده English

In this study, effects of zeta potential distribution and geometrical specifications are investigated on mixing efficiency in electroosmotic flows. Flow geometry in this research is a series of converging-diverging microchannels with different diverging ratios. Governing equations including the Navier Stokes equation for fluid flow and the Poisson-Boltzmann equation for internal electrical field are solved numerically in a two-dimensional domain by using the lattice Boltzmann method. Numerical simulations are validated against available analytic solutions for electroosmotic flow in homogeneous straight channels. The response surface methodology (RSM) is then employed to investigate relationship between flow variables and consequently to optimize mixing efficiency and flow rate of the channel. Results indicate that increasing the zeta potential ratio and diverging ratio, leads to increased value of flow rate, while meanwhile it decreases the mixing efficiency. Zeta potential pattern does not affect flow rate considerably, but its effects on mixing efficiency is noticeable. Furthermore, it is found that mixing efficiency and flow rate are more sensitive to zeta potential ratio than diverging ratio. At last, optimum parameters are determined by RSM which are 0.5 for zeta potential ratio, 0.6 for diverging height, and pp-nn pattern for zeta potential distribution, all associated to simultaneously maximized flow rate and mixing efficiency.

کلیدواژه‌ها English

Lattice Boltzmann Method
Mixing
Electroosmotic
Response Surface Methodology (RSM)
Optimization
J. Yahng, S. Jeoung, D. Choi, D. Cho, J. Kim, Fabrication of microfluidic devices by using a femtosecond laser micromachining technique and μ-PIV studies on its fluid dynamics, the Korean Physical Society, Vol. 47, No. 6, pp. 977-981, 2005.
A. J. Tüdős, G. A. Besselink, R. B. Schasfoort, Trends in miniaturized total analysis systems for point-of-care testing in clinical chemistry, Lab on a Chip, Vol. 1, No. 2, pp. 83-95, 2001.
E. B. Cummings, S. Griffiths, R. Nilson, P. Paul, Conditions for similitude between the fluid velocity and electric field in electroosmotic flow, Analytical Chemistry, Vol. 72, No. 11, pp. 2526-2532, 2000.
S. Jeong, J. Park, J. M. Kim, S. Park, Microfluidic mixing using periodically induced secondary potential in electroosmotic flow, Journal of Electrostatics, Vol. 69, No. 5, pp. 429-434, 2011.
N. Loucaides, A. Ramos, G. E. Georghiou, Configurable AC electroosmotic pumping and mixing, Microelectronic Engineering, Vol. 90, pp. 47-50, 2011
H. Le The, H. Le Thanh, T. Dong, B. Q. Ta, N. Tran-Minh, F. Karlsen, An effective passive micromixer with shifted trapezoidal blades using wide Reynolds number range, Chemical Engineering Research and Design, Vol. 93, pp. 1-11, 2015.
V. Papadopoulos, I. Kefala, G. Kaprou, G. Kokkoris, D. Moschou, G. Papadakis, E. Gizeli, A. Tserepi, A passive micromixer for enzymatic digestion of DNA, Microelectronic Engineering, Vol. 124, pp. 42-46, 2014.
L. Ren, D. Li, Electroosmotic flow in heterogeneous microchannels, Colloid and Interface Science, Vol. 243, No. 1, pp. 255-261, 2001
L. M. Fu, J. Y. Lin, R. J. Yang, Analysis of electroosmotic flow with step change in zeta potential, Colloid and Interface Science, Vol. 258, No. 2, pp. 266-275, 2003.
J. Yang, J. Masliyah, D. Y. Kwok, Streaming potential and electroosmotic flow in heterogeneous circular microchannels with nonuniform zeta potentials: Requirements of flow rate and current continuities, Langmuir, Vol. 20, No. 10, pp. 3863-3871, 2004.
E. Biddiss, D. Erickson, D. Li, Heterogeneous surface charge enhanced micromixing for electrokinetic flows, Analytical Chemistry, Vol. 76, No. 11, pp. 3208-3213, 2004.
A. Nayak, Analysis of mixing for electroosmotic flow in micro/nano channels with heterogeneous surface potential, Heat and Mass Transfer, Vol. 75, pp. 135-144, 2014.
C. Wang, Y. Hu, Mixing of Liquids Using Obstacles in Y-Type Microchannels, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol. 13, No. 4, pp. 385г394, 2010
C. C. Cho, Electrokinetically-driven flow mixing in microchannels with wavy surface, Colloid and Interface science, Vol. 312, No. 2, pp. 470-480, 2007.
H. Yoshida, T. Kinjo, H. Washizu, Analysis of electro-osmotic flow in a microchannel with undulated surfaces, Computers & Fluids, Vol. 124, pp. 237-245, 2016.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 1
فروردین 1397
صفحه 27-38