عنوان پایان‌نامه
بهینه سازی میکسر میکروفلوییدیک شیاردار در ابزارهای آزمایشگاه بر روی تراشه
- رشته تحصیلی
- مهندسی پزشکی - بیومکانیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 71450
- تاریخ دفاع
- ۲۳ آذر ۱۳۹۴
- دانشجو
- محمدرضا رسولی
- استاد راهنما
- علی ابوئی مهریزی
- چکیده
- چکیده هدف این پروژه بهینهسازی فرایند اختلاط در یک تراشهی آزمایشگاهی است. اختلاط در صنایع آزمایشگاهی و پزشکی از اهمیت شایانی برخوردار است. تقریباً در تمامی چرخههای آزمایشگاهی اختلاط بخشی جدانشدنی و غالباً عامل تعیین‌کننده‌ی زمان آزمایش است. با مورد استقبال قرار گرفتن تراشههای آزمایشگاهی در دو دههی اخیر به دلیل مصرف کم بافرها و نمونهها و همچنین سرعت بالای پاسخ، میکسرها که مسئولیت اختلاط را بر عهده دارند نیز مورد توجه محققان قرارگرفته‌اند. چالش پیشرو در طراحی میکرومیکسرها این است که به دلیل ابعاد کوچک این قطعات نمیتوان از همزن‌ها برای افزایش سرعت اختلاط بهره برد. همچنین با توجه به کوچک بودن ابعاد کانالهای میکسرها جریان ماهیت آرام دارند. ماهیت آرام جریان مانع قطع شدن خطوط جریان توسط یکدیگر می‌شود که این موضوع سرعت اختلاط را بسیار کاهش می‌دهد. لذا مکانیزم غالب اختلاط در میکرومیکسرها دیفیوژن است. محققان با ترکیب دستگاه‌های متداول با میدان الکتریکی، موفق به بالا بردن اختلاط شدهاند، اما به علت عبور ولتاژ بالا از خون و آسیب به نمونه‌های بیولوژیکی ازجمله مولکولهای دیاناِی این روشها نیز مطلوب نیستند. در میکسرهای غیرفعال با تغییر هندسه سعی می‌شود اختلاط را به روش‌های مختلفی از قبیل ایجاد جریان‌های ثانویه و یا موانع مختلف افرایش داد. ازاین‌روی نیاز به بهینهسازی پارامترهای مؤثر بر اختلاط به‌منظور به دست آوردن حداکثر اختلاط ممکن احساس می‌شود. همچنین یک عامل تعیین‌کننده‌ی دیگر در میکسرهای غیرفعال افت فشار است. افت فشار بالا نه‌تنها توان پمپاژ بیشتری را مصرف می‌کند بلکه در بسیاری موارد در سامانه‌های میکروفلوییدیک محدودیت اعمال فشار وجود دارد. در این پروژه با ارائه مدل عددی از فرایند اختلاط و اعتبارسنجی آن با دادههای آزمایشگاهی موجود، فرایند اختلاط موردبررسی قرار گرفت. سپس با استفاده از طراحی آزمایش با روش تاگوچی، میزان اثر و مقدار بهینه هر یک از پارامترهای مؤثر بر ضریب اختلاط و افت فشار شناسایی شد. در ادامه با استفاده از تحلیل آنووا یک مدل خطی ارائه شد که میتواند ضریب اختلاط و افت فشار را بر اساس پارامترهای تولید پیش‌بینی کند. در مرحله‌ی بعد دو مدل درجه دوم و خطی بهعلاوهی مجموع مربعات برای پیش‌بینی رفتار توابع خروجی (ضریب اختلاط و افت فشار) با استفاده از روش سط
- Abstract
- Abstract Micromixers are one of the most crucial components of Lab-On-a-Chip devices with the intention of mixing and dispersion of reagents like small molecules and particles. The challenge facing micromixers is typically insufficient mixing efficiency in basic designs, which results in longer microchannels. Therefore, it is desirable to increase mixing efficiency, in order to decrease mixing length, which enables miniaturization of Lab-On-Chip devices. In this study, the flow is baffled by ridges to generate advection and also curvatures are used to produce vortex, which can enhance the mixing. Using optimization method to design micromixers decreases dependence on trial and error. This study shows a multi-objective optimization algorithm for the design of ridged micromixer which solves 3-dimensional Navier-Stokes equations and a convection-diffusion with design of experiments. DI water and other biological solutions are used as mixing fluids. The mixing index and the pressure drop have been determined as objective functions. Five geometric dimensions: radius of curve, angle of ridges, height of the ridges, thickness of ridges and aspect ratio of the channel are taken as design parameters. The results of this work show that the mixing index increses because of the Dean vortices in the transverse plane due to centrifugal force in the meander-channel flow and the separation vortices caused by ridges. Keywords: Multi-objective; Grooved; Micromixers; Mixing index, pressure drop
