مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی راندمان اختلاط در جریان الکترواسموتیک با زتا پتانسیل غیریکنواخت دیواره

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران
2 عضو هیات علمی دانشگاه بیرجند- دانشکده مهندسی - گروه مکانیک
3 دانشگاه فردوسی مشهد
چکیده
در این مقاله، راندمان اختلاط در جریان الکترواسموتیک درون یک ریزمخلوط‌گر با زتاپتانسیل غیریکنواخت دیواره برای حالت‌های مختلف به‌صورت عددی شبیهسازی شده است. هندسه جریان یک مجرای دوبعدی بین دو صفجه موازی است و جریان مورد نظر تراکم ناپذیر، پایدار و آرام فرض شده است. معادلات حاکم بر مسأله، شامل معادلات میدان‌های پتانسیل الکتریکی داخلی و خارجی، معادلات توزیع غلظت یون‌های مثبت و منفی (ارنست-پلانک)، معادله‌ی غلظت گونه‌ها و معادلات اندازه حرکت اصلاح شده (ناویر-استوکس) برای میدان جریان سیال به روش عددی حجم محدود حل شده است. به منظور اعتبارسنجی برنامه عددی، نتایج تحلیلی یک جریان ایده‌آل الکترواسموتیک که در آن سراسر دیواره‌ها باردار می‌باشد، با نتایج حل عددی به‌دست آمده مقایسه شده است. نتایج عددی نشان می‌دهد که با تغییرات زتاپتانسیل دیواره در ناحیه میانی به‌صورت خطی-صعودی، خطی-نزولی و سهموی برای جریان در یک ریزمجرا، راندمان اختلاط نسبت به حالت زتا ثابت افزایش می‌یابد. برای دو حالت تغییر خطی زتاپتانسیل، راندمان اختلاط به 86 درصد و برای تغییر سهموی زتاپتانسیل به 75 درصد افزایش می‌یابد. این در حالی است که با ثابت بودن زتاپتانسیل دیواره در ناحیه میانی، حداکثر راندمان اختلاط 64 درصد می‌باشد. در حالتی که تنها دیواره بالایی در ناحیه میانی دارای زتاپتانسیل می‌باشد، نتایج نشان داد که یک ناحیه گردابه‌ای در جریان ایجاد می‌گردد. این ناحیه گردابه‌ای باعث می‌شود تا راندمان اختلاط به حداکثر (100 درصد) برسد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation of mixing efficiency in electroosmotic flow with non-uniform wall Zeta potential

نویسندگان English

Morteza Dallakehnejad 1
seyed ali mirbozorgi 2
Hamid Niazmand 3
1 Birjand uni
2 birjand uni
3 Mashhad Uni
چکیده English

In this paper, the mixing efficiency in electroosmotic flow inside a micromixer is simulated numerically for different states of non-uniform wall Zeta potential. The geometry of flow is a two-dimensional channel between two parallel plates and the flow is assumed to be incompressible, steady and laminar. The governing equations, including a Laplace equation for the distribution of external electric potential, a Poisson equation for the distribution of electric double layer potential, the Nernst-Planck equation for the distribution of ions concentration, the species convection-diffusion equation, the modified Navier-Stokes equations for the fluid flow field, have been solved using the finite volume numerical method. In order to validate the numerical results, the analytical results of an ideal electroosmotic flow in where throughout the walls are charged is compared with the obtained numerical results. The numerical results show that, by linear-ascending, linear-descending and parabolic changes of the wall Zeta potential at the middle length of the microchannel, the mixing efficiency increases compared to a constant Zeta potential. For the cases of linear changing of Zeta potential, the mixing efficiency increases to 86% and for parabolic change of Zeta potential the mixing efficiency increases to 75%, while the Zeta potential is constant at middle length the maximum of mixing efficiency increases to 64%. In the case that only the upper wall at middle length is charged, the results show that a vortex region is created in the flow. This vortex region causes a maximum (100%) mixing efficiency.

کلیدواژه‌ها English

Micromixer
Numerical simulation
Nernst-Planck
Navier-Stokes
[1] D. Figeys, D. Pinto, Lab-on-a-chip: a revolution in biological and medical sciences, pp. 330A–335A, 2000.
[2] 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.
[3] S. Gambhire, N. Patel, G. Gambhire, S. Kale, A Review on Different Micromixers and its Micromixing within Microchannel, 2016.
[4] C.-C. Cho, A combined active/passive scheme for enhancing the mixing efficiency of microfluidic devices, Chemical Engineering Science, Vol. 63, No. 12, pp. 3081-3087, 2008.
[5] M. Campisi, D. Accoto, F. Damiani, P. Dario, A soft-lithographed chaotic electrokinetic micromixer for efficient chemical reactions in lab-on-chips, Journal of Micro-Nano Mechatronics, Vol. 5, No. 3-4, pp. 69-76, 2009.
[6] X. Xiao, C. N. Kim, Numerical analysis of an MHD micro-device with simultaneous mixing and pumping capability, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 38, pp. 23-36, 2016.
[7] A. Alizadeh, L. Zhang, M. Wang, Mixing enhancement of low-Reynolds electro-osmotic flows in microchannels with temperature-patterned walls, Journal of colloid and interface science, Vol. 431, pp. 50-63, 2014.
[8] V. Hessel, H. Löwe, F. Schönfeld, Micromixers—a review on passive and active mixing principles, Chemical Engineering Science, Vol. 60, No. 8, pp. 2479-2501, 2005.
[9] C. Rice, R. Whitehead, Electrokinetic flow in a narrow cylindrical capillary, The Journal of Physical Chemistry, Vol. 69, No. 11, pp. 4017-4024, 1965.
[10] D. Burgreen, F. Nakache, Electrokinetic flow in ultrafine capillary slits1, The Journal of Physical Chemistry, Vol. 68, No. 5, pp. 1084-1091, 1964.
[11] J. H. Masliyah, Electrokinetic transport phenomena: Alberta, Oil Sands Technology and Research Authority, 1994.
[12] C. Yang, D. Li, J. H. Masliyah, Modeling forced liquid convection in rectangular microchannels with electrokinetic effects, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 41, No. 24, pp. 4229-4249, 1998.
[13] S. Mirbozorgi, H. Niazmand, M. Renksizbulut, Electro-osmotic flow in reservoir-connected flat microchannels with non-uniform zeta potential, Journal of Fluids Engineering, Vol. 128, No. 6, pp. 1133-1143, 2006.
[14] E. Biddiss, D. Erickson, D. Li, Heterogeneous surface charge enhanced micromixing for electrokinetic flows, Analytical Chemistry, Vol. 76, No. 11, pp. 3208-3213, 2004.
[15] W.-J. Luo, K.-F. Yarn, S.-P. Hsu, Analysis of electrokinetic mixing using AC electric field and patchwise surface heterogeneities, Japanese journal of applied physics, Vol. 46, No. 4R, pp. 1608, 2007.
[16] M. Jain, K. Nandakumar, Optimal patterning of heterogeneous surface charge for improved electrokinetic micromixing, Computers & Chemical Engineering, Vol. 49, pp. 18-24, 2013.
[17] J. Jamaati, H. Niazmand, S. A. Mirbozorgi, Investigation the 3D Mixing with Non-homogenous Surface Charges Using Helmholtz-Smoluchowski Model, Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, Vol. 24, No. 1, pp. 103-122, 2013. (in Persianفارسی )
[18] J. Jamaati, A. R. Farahinia, H. Niazmand, Investigation of Mixing in Electroosmotic Micromixers using Nernst-Planck Equations, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 4, 2015. (in Persianفارسی )
[19] A. Nayak, Analysis of mixing for electroosmotic flow in micro/nano channels with heterogeneous surface potential, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 75, pp. 135-144, 2014.
[20] M. M. Afsari, S. A. Mirbozorgi, H. Niazmand, Analysis of Mixing Efficiency in an Electroosmotically Micromixer with Heterogeneous Wall Charge Distribution, Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, Vol. 25, No. 2, pp. 97-109, 2014. (in Persianفارسی )
[21] J. H. Masliyah, S. Bhattacharjee, Electrokinetic and colloid transport phenomena: John Wiley & Sons, 2006.
[22] M. Engler, N. Kockmann, T. Kiefer, P. Woias, Numerical and experimental investigations on liquid mixing in static micromixers, Chemical Engineering Journal, Vol. 101, No. 1, pp. 315-322, 2004.
[23] J. M. Chen, T.-L. Horng, W. Y. Tan, Analysis and measurements of mixing in pressure-driven microchannel flow, Microfluidics and Nanofluidics, Vol. 2, No. 6, pp. 455-469, 2006.
[24] J. Ou, G. R. Moss, J. P. Rothstein, Enhanced mixing in laminar flows using ultrahydrophobic surfaces, Physical Review E, Vol. 76, No. 1, pp. 016304, 2007.
[25] H. Bockelmann, V. Heuveline, D. P. Barz, Optimization of an electrokinetic mixer for microfluidic applications, Biomicrofluidics, Vol. 6, No. 2, pp. 024123, 2012.
[26] J. Jamaati, H. Niazmand, M. Renksizbulut, Investigation of electrokinetic mixing in 3D non-homogenous microchannels, Journal of Computational & Applied Research in Mechanical Engineering (JCARME), Vol. 3, No. 1, pp. 41-52, 2013.
[27] C. Rhie, W. L. Chow, Numerical study of the turbulent flow past an airfoil with trailing edge separation, AIAA journal, Vol. 21, No. 11, pp. 1525-1532, 1983.