بررسي اثر هندسه و بارگذاري سطح بر اختلاط الكترواسموتيك در ميكروكانال‌هاي همگرا(واگرا) با استفاده از روش شبكه بولتزمن

Geometry and zeta potential effects on electroosmotic mixing in converging (diverging) microchannel using lattice boltzmann method

در اين تحقيق اثرات توزيع پتانسيل سطحي ريزمجرا و تغييرات هندسي آن بر ميزان اختلاط در جريان هاي الكترواسموتيك مورد بررسي قرار گرفته است. هندسه هاي مورد بررسي شامل كانال هاي مستقيم، همگرا، واگرا و همگرا-واگرا است. شبيه سازي جريان الكترواسموتيك با تكيه بر حل معادلات ناوير-استوكس و نرنست – پلانك براي محاسبه توزيع ميدان سرعت و بار الكتريكي به كمك روش عددي شبكه بولتزمن صورت گرفته است. صحت شبيه سازي با مقايسه ميان حل عددي بدست آمده از روش شبكه بولتزمن و حل تحليلي موجود در شرايط بارگذاري يكنواخت مورد ارزيابي قرار گرفته است و در نهايت ميدان جريان و پديده اختلاط در حضور بارگذاريهاي ناپيوسته سطحي به منظور دست يابي به الگوي اختلاطي مناسب بررسي شده است. نتايج عددي حاكي از بهبود قابل ملاحظه اختلاط در ريز مجراهاي همگرا است كه در عين حال با كاهش نسبتاً زياد دبي همراه بوده است و بالعكس استفاده از ميكروكانال‌هاي واگرا منجر به افزايش دبي و كاهش اختلاط شده است. از اين رو با استفاده از هندسه‌هاي همگرا - واگرا مي‌توان به تعادل مناسبي از دبي و راندمان اختلاط دست يافت. نتايج عددي نشان مي‌دهد كه استفاده از ريزمجراي همگرا – واگرا سبب ايجاد راندمان اختلاط 90٪ همراه با دبي مناسب در مقايسه با ريز مجراي واگرا- همگرا مي‌شود.

In this study, effects of zeta potential distribution and geometrical specifications are numerically investigated on mixing efficiency in electroosmotic flows. Considered geometries include straight, converging, diverging, and converging-diverging microchannels. Electroosmotic flow simulations are conducted based on the N-S and Nernst-Planck equations for momentum and ionic charges distributions, respectively, by lattice Boltzmann method. Numerical simulations are validated against available analytic electroosmotic flow solutions in homogeneous straight channels, and then flow patterns and mixing performances in the presence of non-uniform zeta potential distributions are investigated in thesearch for enhanced mixing performances. Numerical results indicate that converging channel leads to a sizable increase in mixing efficiencies, while at the same time the flow rate decreases. In contrast, diverging channels increase the flow rate, while decreasing the mixing efficiency. Therefore, it is expected to achieve a balance between the mixing efficiency and mass flow rate using converging-diverging geometries. Numerical results indicate that mixing efficiency of about 90% can be reached with a converging-diverging microchannel with a reasonable decrease in mass flow rate as compared to its geometrical diverging-converging counterpart channel.