بررسي اختلاط در ريزمخلوط‌گرهاي تركيبي الكترواسموتيك/ فشار محرك با بارسطحي ناهمگن

Mixing Investigation in Combined Electroosmotic/Pressure-driven Micromixers with Heterogeneous Wall Charges

در اين مقاله شبيه‌سازي عددي جريان الكترواسموتيك درون ريزجريان‌هاي ناهمگن با استفاده از مدل تقريبي هلمهولتز- اسمولوكوفسكي ارايه شده است، كه در آن اثر نيروي ميدان الكتريكي بر سيال با سرعت لغزشي در ديواره ريزمـجرا جايگزين مي‌شود. با حل معادله غلظت در اين جريان‌ها، چگونگي فرآيند اختلاط در ريزمجراهاي داراي زتاپتانسيل ناهمگن روي ديواره، به صورت كيفي و كمي بررسي شده است. مطالعه انجام شده نشان مي‌دهد كه با تركيب دو جريان الكترواسموتيك و فشار- محرك در يك ريزمجرا و تنظيم مناسب تكه‌هاي ناهمگني بار، به سادگي مي‌توان يك ريزمخلوط‌گر الكترواسموتيكي با اختلاط قابل تنظيم طراحي كرد. رفتار چنين ريزمخلوط‌گرهايي تحت تاثير نحوه آرايش زتاپتانسيل و نيز مقدار اختلاف فشار اعمالي است. در اين مقاله براي تحليل جامع اختلاط، علاوه‌ بر معيار رايج راندمان اختلاط، دو معيار جديد راندمان نسبي اختلاط و ظرفيت اختلاطي مورد معرفي قرار گرفته‌اند. با استفاده از اين شاخصه‌ها معلوم شد كه در اختلاف فشارهاي اندك و يا خيلي زياد وجود تكه‌هاي ناهمگني بار روي ديواره‌هاي ريزمجرا اثر قابل ملاحظه‌اي بر بهبود اختلاط ندارد؛ بنابراين عملكرد ريزمخلوط‌گرهاي با جريان تركيبي الكترواسموتيك و فشار- محرك داراي يك نقطه بهينه است. همچنين مشاهده شد كه ميزان نامتقارني توزيع بار در مقايسه با ميزان اندازه بار، اثر جدي‌تري بر عملكرد اختلاطي ريزمخلوط‌گر دارد. اين امر تضمين مي‌كند كه اختلاط مناسب حتي با استفاده از سطوح داراي زتاپتانسيل معمولي حاصل شود.

In this article numerical simulation of electroosmotic flow in heterogeneous microchannel is performed using approximate model of Helmholtz-Smoluchowski in which the effect of electric field on the fluid flow is applied through a slip boundary condition. Solving the concentration equation, the mixing performance of microchannels with heterogeneous zeta-potential is studied both qualitatively and quantitatively. This study shows that combining the electroosmotic and pressure-driven flows in a single microchannel with proper arrangement of the heterogeneities can easily lead to design of electroosmotic micromixers with adjustable mixing performance. The mixing behavior of such micromixers is dominated by the arrangement of zeta-potential distribution as well as the applied external pressure drop. In this article relative mixing performance and mixing capacity were introduced rather than the well-discussed factor of mixing performance in order to perform a thorough analysis of mixing. Using these factors, it is found that presence of heterogeneities has a slight effect on mixing performance when the pressure drop is extremely small or large. Therefore, performance of micromixers with combined flow of electroosmotic and pressure-driven has an optimum point. Furthermore, it is seen that asymmetric level of the charge pattern is more effective on the mixing performance compared to absolute values of wall charges. This promises proper mixing even when surfaces with moderate zeta-potential are used in micromixer.