عنوان پایان‌نامه
مطالعه عددی میکرو ونانو پمپ های الکترو اسمزی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: 1682;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 43566
- تاریخ دفاع
- ۳۱ شهریور ۱۳۸۸
- دانشجو
- هادی امیرشقاقی
- استاد راهنما
- مهرداد رئیسی دهکردی
- چکیده
- جریان سیال الکترواسمتیک در میکرو و نانو پمپ ها تحت نیروی محرکه الکترواسمتیک با استفاده از روش های عددی مورد بررسی قرار گرفته است. جهت مطالعه جریان در میکروکانال ها، معادلات حاکم با فرض های ناهمپوشانی و برهم پوشانی لایه دوگانه الکتریکی با استفاده از روش عددی حجم محدود و الگوریتم فشار سیمپل در یک شبکه نیمه-جابجا شده حل شده‌اند. در مطالعه انجام شده روی جریان سیال در میکرو پمپ ها ، برهم کنش سه عامل دبی جرمی، شدت میدان الکتریکی خارجی و مقدار بار الکتریکی القا شده روی سطح کانال مورد بررسی قرار گرفت و نتایج بدست آمده با تحقیق انجام شده توسط بسکوک و دوتا (????) مقایسه گردید. در این حالت مشخص شد که با افزایش شدت میدان الکتریکی خارجی، فشار ایجاد شده توسط پمپ افزایش می یابد. لیکن چنین راهکاری با توجه به افزایش اثر گرمایشی ژول به ازای مقادیر بالای میدان الکتریکی خارجی، غیرعملی بوده و استفاده از سطوح با قابلیت دریافت بار الکتریکی بالا و کاربرد الکترولیتی با غلظت پایین و PH بالا می تواند مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این ضمن مطالعه جریان الکتروسمتیک با همپوشانی لایه دوگانه الکتریکی نشان داد، در این حالت استفاده از معادله پواسون-بولتزمان منجر به نتایج غیر دقیق شده و به همین منظور مدل جامعی ارائه گردید. برای مطالعه جریان در نانو پمپ ها، کانال هایی با ارتفاع های مختلف بررسی شده و نتایج حاصل برای تحرک پذیری از مدل کلاسیک، با نتایج ارایه شده توسط یودا و همکاران (2003) مقایسه گردید. نتایج نشان داد، مدل کلاسیک برای مطالعه جریان سیال در کانال هایی با ارتفاع بیش از 10 نانومتر مناسب می باشد. همچنین مشخص شد با کاهش ارتفاع کانال به کمتر از 10 نانومتر دقت روش های مبتنی بر فرض محیط پیوسته کم می شود. همچنین برای جریان در نانو پمپ های الکترواسمزی بسیار باریک (به ارتفاع چند نانومتر)، نتایج حاصله از مدل کلاسیک، با نتایج شبیه سازی دینامیک مولکولی مقایسه شده، با استفاده از تعریف فواصل موثر و قابل دسترسی یون ها، سعی در بهبود دقت مدل های کلاسیک گردید. در این حالت مشخص شد، با توجه به تغییر رفتار سیال در مقیاس چند نانومتر، مدل های مبتنی بر فرض محیط پیوسته قابل اطمینان نبوده و به علت انتشار اثرات غیر پیوسته مجاور دیواره به تمامی کانال، استفاده از مدل های کلاسیک فاقد کارایی خواهد بود.
- Abstract
- The mixed Electroosmotic/pressure driven flow in micro and nanochannels is considered in this dissertation. The numerical approach used in this study is Finite-Volume method together with SIMPLE algorithm. The flow is assumed axisymmetric and a semi-staggered grid is used. The developed model for electroosmotic flow through microchannels is implemented to investigate the interaction of the three controlling parameters, including: mass flow rate, external electric field strength and surface charge density, on the flow field and pumping performance. In this case, the numerical results are compared with analytical solution of Beskok and Duta’s (2003). It is shown that, increasing the magnitude of the external electric field may lead to higher pumping levels. However in these systems, due to presence of Joule heating phenomena and flow instability, there is a limiting extent to imposed electric field. To remedy this problem, implementing channels with materials prone to undertake large net charge densities as well as dilute electrolytes with high PHs, may be cosidered. Moreover, in this dissertation, the effect of electrical double layer (EDL) overlap on the electroosmotic flow is investigated. It is shown that the EDL overlapping can significantly alter the electrostatic potential distribution and electrokinetic velocity shape and this effect would be magnified by increasing the ratio of EDL thickness to channel characteristic length. Besides, it is revealed that, implementing the traditional Poisson-Boltzmann model in the case of strong EDL overlapping may lead to drastic underestimation of the flow parameters. To study the electroosmotic flow in nanochannels, two cases are considered. In the first case, nanochannels with height greater than 10nm are studied, and in the second case nanochannel with a height of several nanometers are examined. In the first case the obtained numerical results are compared with the available experimental results. In this case the excellent agreement between the simulations and experiment is observed. In the second case, a modified velocity profile based on a corrected channel height is proposed. The developed velocity is compared with molecular dynamics simulation results. The comparison confirms that, for channels of several diameters height, the modified continuum theory based on the corrected Poisson-Boltzmann equation can underestimate the ion density near the channel walls. Moreover, it is revealed that the classic models fail to describe the velocity profile as the channel height reaches to 5-10 times of the wall atoms diameter.
