مدل سازی عددی چند نوع میکرومیکسرهای الکتروسینتیکی فعال و غیرفعال با استفاده از معادلات پواسون- نرنست- پلنک- ناویر- استوکس

میکرومیکسرها از اجزای حیاتی در دستگاه های آزمایشگاه-روی-تراشه به شمار می روند. کاربرد اصلی آنها اختلاط دوگونه سیال با کیفیت مطلوب در حداقل زمان اختلاط است. در این مقاله چند نوع میکسر فعال و غیرفعال با طراحی های نوآورانه به منظور افزایش کیفیت اختلاط و کاهش زمان آن مورد مطالعه عددی قرار گرفته اند. مدل سازی عددی توسط حل معادلات غیرخطی و به هم وابسته پواسون- نرنست- پلنک- ناویر- استوکس و با استفاده از کد خانگی رایان انجام گرفته است. این معادلات که در مقیاس محیط پیوسته پدیده های همرفت، مهاجرت الکتریکی و نفوذ مولکولی را در نظر می گیرند مدل دقیق تری از فیزیک واقعی غالب بر میکرومیکسرهای الکتروسینتیکی فعال با الکترودهای ولتاژ متغیر را ارایه می نمایند. روش های رایج و ساده سازی شده همچون مدل پواسون- بولتزمن بر پایه فرضیات ساده شده بنا شده اند و در نتیجه در مواردی مانند وجود پیچیدگی در هندسه و استفاده از الکترودهای ولتاژ متغیر دقت خود را به شدت از دست می دهند. از طرف دیگر مدل پواسون- بولتزمن از نظر حل عددی به مراتب از مدل پواسون- نرنست- پلنک- ناویر- استوکس ساده تر بوده و مدل سازی بر اساس آن از نظر عددی بسیار ارزان تر است. یکی از دستاوردهای این پژوهش نشان می دهد در میکرومیکسرهای غیرفعال با استفاده از چند مانع کوچک به عنوان جایگزین یک مانع بزرگ کیفیت اختلاط در نمونه مدل سازی شده به مقدار ۱۳% افزایش یافته است. یکی دیگر از دستاوردهای اصلی این پژوهش معرفی چیدمان همزمان الکترودهای عمودی و افقی ولتاژ متغیر با زمان برای اولین بار است. این طرح جدید موجب ایجاد فوران های عمود بر جریان اصلی می شود و اختلاط را بهبود می دهد. در نتیجه تغییرات پیشنهادی در کار حاضر، بهبود افزایش کیفیت اختلاط به ۹۹% و کاهش زمان رسیدن به اختلاط پایدار به ۷/۲ثانیه حاصل شده است.

کلیدواژه ها:

Lab-on-a-chip ، Active-Micro-Mixer ، Passive-Micro-Mixer ، Vertical Active Electrode ، آزمایشگاه روی تراشه ، میکرومیکسر فعال ، میکسرومیکسر غیرفعال ، الکترود عمودی فعال