مطالعه‌ي سه بعدي اختلاط در ريزمخلوط گرهاي با بار سطحي ناهمگن به كمك مدل هلمهولتز-اسمولوكوفسكي

Investigation the 3D Mixing with Non-homogenous Surface Charges Using Helmholtz-Smoluchowski Model

در اين مقاله اختلاط الكتروكينتيكي سه بعدي به روش عددي درون ريزمخلوط گرهاي ساخته‌شده با ريزمجراي ناهمگن به‌صورت كيفي و كمي بررسي شده است. براي كاهش هزينه هاي محاسباتي در جريان‌هاي سه بعدي، شبيه سازي جريان الكترواسموتيك با استفاده از روش هلمهولتز- اسمولوكوفسكي (Helmholtz-Smoluchowski) انجام شده است. مطالعات قبلي براي پديده‌ي اختلاط الكتروكينتيكي درون ريزمجراهاي ناهمگن نشان داده است كه وجود گردابه ها و نواحي داراي جريان چرخشي بسته همواره باعث بهبود راندمان اختلاط در جريان‌هاي دو بعدي مي-گردد. اما بررسي هاي انجام‌ شده در اين مقاله براي ريزمخلوط گرهاي سه بعدي نشان داد كه همواره اين اتفاق رخ نمي‌دهد و در برخي موارد وجود گردابه اثر افزايشي بر راندمان اختلاط ندارد. يافته هاي اين مقاله نشان مي دهد كه ميزان نامتقارني در ميدان جريان سيال عامل تعيين‌كننده در ايجاد اختلاط است. از آن‌جا كه در جريان‌هاي سه بعدي امكان ايجاد نامتقارني بيش‌تر وجود دارد لذا ميزان راندمان اختلاط در جريان‌هاي سه بعدي در مقايسه با جريان‌هاي دوبعدي بيش‌تر است. مطالعه‌ي آرايش هاي متنوع سه بعدي براي ريزمخلوط گر الكترواسموتيكي نشان داد كه بسته به آرايش ناهمگني ها، راندمان اختلاط درون ريزمجراي ناهمگن در مقايسه با ريزمجراي همگن مي‌تواند بهبود يابد و يا اين كه كاهش يابد. اين نتايج تاكيد مي كند كه بررسي دوبعدي اختلاط نمي تواند تمامي مزاياي اختلاط درون ريزمجراهاي ناهمگن را شرح دهد. يافته هاي اين پژوهش مي تواند در مد‌‌ل‌سازي صحيح ريزمخلوط گرهاي مورد استفاده در كاربردهاي عملي به‌ويژه ريزتراشه‌هاي آزمايشگاهي (Lab-on-a-chip) مورد استفاده قرار گيرد.

Numerical investigation of 3D electrokinetic mixing through micromixer has performed both qualitatively and quantitatively. In order to reduce numerical expenses of 3D flows, we implement the Helmholtz-Smoluchowski method for the numerical modeling of electroosmotic flows. According to the previous study of electrokinetic mixing inside the heterogeneous microchannels, existence of the vortexes within the flow field always increase the mixing performance for 2D flows. However, investigations of 3D micromixers show that this increase does not happen for all the situations and in some cases, existence of the vortexes does not enhance the mixing performance. Findings of this research indicate that the asymmetry degree of the flow field pattern is the key parameter for the mixing performance. Within the 3D flow field, there are more opportunities to increase the asymmetries. Consequently, mixing performances of the 3D flows are much larger compared to those of 2D flows. Studies of various 3D cases for electroosmotic micromixer show that mixing performance can be improved or deteriorated depending on the arrangement of the heterogeneities over the microchannel walls. These results confirmed that 2D simulation of mixing could not explain the complete benefits of passive micromixers. These results can apply to the simulation of micromixers used in Lab-on-a-chip devises.