طراحي و شبيه‌سازي ميكروپمپ با دريچه انعطافپذير با استفاده از اندركنش مغناطيس-سيال-جامد

Design and simulation of the one-way flexible micropump using fully coupled magneto-fluid-solid interaction

در پژوهش حاضر، ميكروپمپ الكترومغناطيسي جديدي با دريچه‌هاي انعطاف‌پذير و ديواره الاستيك نوساني بر پايه ساز و كار يك طرفه جريان لنف معرفي شده است. ميدان مغناطيسي متغير با زمان، ديواره الاستيك مغناطيس شونده را تحريك مي‌كند. دو دريچه منعطف به منظور يك طرفه كردن جريان سيال در ابتدا و انتهاي ميكروكانال نصب شده است. سيال استفاده شده در اين تحقيق آب و عدد رينولدز در حالت بيشينه كمتر از 30 و عدد وومرزلي زير 1 است. عدد نادسن درون ميكروكانال نيز زير 0.001 محاسبه شده كه شرط عدم لغزش در ديواره برقرار است. اندركنش سيال-جامد-مغناطيس با حل گذرا و دوبعدي سيال تراكم‌ناپذير با خواص ثابت انجام شده است. تمام قسمت‌هاي جامد از قانون تنش-كرنش هوك پيروي مي‌كنند و شبيه‌سازي با استفاده از نرم‌افزار كامسول برپايه حل عددي اجزاي محدود انجام شده است. مطالعه پارامتري انجام شده و اثر پارامترهاي مهم هندسي، ساختاري و مغناطيسي بر روي حجم خالص انتقالي سنجيده شده است. اين ميكروپمپ قادر به ايجاد جريان يك طرفه است و ميزان حجم خالص جابجا شده تحت تاثير پارامترهاي طراحي قرار مي‌گيرد. ميكروپمپ معرفي شده قابل استفاده در محدوده كاري وسيعي از كاربردهاي ميكروسيالاتي است، به عنوان مثال، دبي و جرم انتقالي كل كاملا قابل كنترل هستند. نهايتا ميكروپمپي با طراحي بهينه هندسي نسبت به مدل اوليه پيشنهاد شده است. ميكروپمپ نهايي قادر به انتقال حجم خالص حدود دو برابر طراحي اوليه و بيش از سه برابر مدل‌ پيشين است.

In the present work, a novel electromagnetic actuation flexible-valve micropump using the fluctuating elastic wall is proposed, based on one-way lymph transfer mechanism. A time dependent magnetic field is used for actuating the magnetorheological elastomer (contractible) wall. Two flexible valves are located in two terminals of microchannel in order to filter bidirectional flow and generate one-way fluid flow. Water properties are used for simulation and the maximum Reynolds number does not exceed 30 and Womersly number is lower than 1 in all cases. Knudsen number is much less than unity, therefore no-slip condition is valid at walls. A fully coupled magneto-fluid-solid interaction approach using time dependent study of two-dimensional incompressible fluid flow is performed. All solid parts follow Hook’s law and simulation is carried out using finite element approach by COMSOL Multiphysics software. A parametric study is conducted and the effect of key geometrical, structural and magnetical parameters have been examined on the net pumped volume. Present micropump is able to generate unidirectional flow and propel net volume of fluid left to right, and the net pumped volume of fluid is affected by design parameters. The proposed design can serve in a wide range of microfluidic applications, for example, flow rate and total mass transfer are completely controllable. At the end of the study, an optimum geometrical design based on initial model is proposed. The final design is able to transmit nearly two times the net volume compared to initial model and more than three times that of the previous design.