عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی عددی جریان سیال در کانال های با ابعاد میکرو مورد استفاده در سیستم های mems
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2514;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 60615
- تاریخ دفاع
- ۱۲ آذر ۱۳۹۲
- دانشجو
- امین حسن زاده بارفروشی
- استاد راهنما
- فرشاد کوثری, امیر نجات
- چکیده
- طی سال های اخیر توسعه استفاده از سیستم های میکروسیالات به طور قابل ملاحظه ای توانایی ما در کنترل جریان سیالات در ابعاد میکرو را افزایش داده است. همگام با این پیشرفت ها، تعداد بیشماری کاربرد در زمینه های مختلف پزشکی، شیمیایی و زیستی همچون بیوشیمی، خنک کاری سیستم های الکترونیکی، پیل های سوختی و در نهایت آزمایشگاه های تراشه ای مطرح شده است. آنچه مسلم است یک سیستم میکروسیالاتی بسته به کاربرد از بخش های مختلفی تشکیل شده است. به عنوات مثال آزمایشگاه های تراشه ای شامل اجزایی همچون میکرومیکسر، میکروپمپ، میکرودریچه، میکرو حسگر و ... می شود. در این تحقیق جریان سیال تراکم ناپذیر در دو جزء اصلی سیستم های میکروسیالات یعنی میکروپمپ ها و میکرومیکسر ها به کمک روش های عددی و با بهره گیری از دینامیک سیالات محاسباتی مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور، ابتدا رفتار پایای جریان و انتقال حرارت در میکروکانال دارای انبساط ناگهانی هندسی مطالعه شده است. در ادامه رفتار این هندسه در برابر جریان ناپایا و پالسی سیال مورد بررسی قرار گرفته است. دو پارامتر اساسی فرکانس پالس فشاری ورودی و دامنه آن تغییر داده شده و گردابه های ایجاد شده در طول یک دوره تناوب مورد مطالعه قرار گرفتند. جدایی جریان، اندازه و مدت زمان ماندگاری این گردابه ها به طور خاص مورد ارزیابی قرار گرفتند. همچنین وابستگی دبی جریان عبوری از میکروکانال به این فرکانس و دامنه فشار مورد ارزیابی قرار گرفته است. سپس مقدار عدد بی بعد استروهال که اثر نیروهای حاکم بر جریان ناپایا را تعیین می کند محاسبه شده و برای St=1، مقدار بحرانی فرکانس f=250Hz به دست آمده است. در بخش دوم این تحقیق اختلاط دو سیال در انواع میکرومیکسرها فعال و غیر فعال مورد مطالعه قرار گرفته است. ابتدا اختلاط در میکرومیکسر های صلیبی مورد ارزیابی قرار گرفته است. سپس آمیختگی در میکروکانال های همراه با تزریق بررسی شده است. به منظور افزایش میزان اختلاط، مانعی در محل اتصال دو جریان ورودی تعبیه شد. در ادامه اثر موقعیت قرارگیری این مانع در محل اتصال و اندازه این مانع بر افزایش میزان اختلاط بررسی شد. در بخش نهایی این تحقیق آمیختگی دو سیال در میکرومیکسرهای T- شکل مورد بررسی قرار گرفت. سه طرح جدید برای افزایش میزان اختلاط معرفی شد. با اعمال پتانسیل زتا به صورت غیر یکنواخت بر روی دیواره های کانال فصل مشترک دو سیال به طور قابل ملاحظه ای تحت تأثیر قرار گرفته و در نتیجه میزان اختلاط افزایش می یابد.
- Abstract
- In recent years, developments in microfluidics systems have enormously increased our capability in manipulating the small amounts of fluids in micro scales. Along with those developments, numerous applications have been proposed in the fields of medicine, chemical and biological analysis such as biochemistry, high heat dissipating electronic cooling, fuel cells and lab-on-a-chip devices. What is evident is that a microfluidic system includes different parts according to its application. As an instance, Lab-on-a-chip systems including micromixers, micropumps, microvalves, microsensors, … . In this study, flow of an incompressible fluid is investigated within two main parts of microfluidic systems, i.e. micropumps and micromixers, using numerical methods and computational fluid dynamics. First, the steady behavior of fluid flow and heat transfer is studied in a microchannel with sudden expansion shape. Next, this geometry’s behavior is investigated under unsteady pulsatile fluid flow. Two essential parameters; the frequency of the inlet pressure pulse and its amplitude were varied and the induced vortex structures within a period were obtained. Flow separation, size and duration of these vortices were under special attention. Afterwards, the magnitude of the dimensionless Strouhal number which defines the effect of dominant forces in unsteady flows was calculated and for St=1, a critical value of f=250Hz was achieved. In the second part of this study, the mixing of two fluids in was investigated in different types of active and passive micromixers. First, the mixing within a cross-shaped microchannel was studied. And then the microchannel with injection was investigated. In order to increase the mixing intensity, an obstacle is placed at the joint of two inlet flows. Next, the effect of the position of this obstacle on mixing augmentation was investigated. At the final section of this study, mixing of two fluids in T-shaped microchannels was investigated. Three novel designs were proposed to enhance mixing. By employing non-uniform zeta potentials at the channel walls, the fluids interface was disturbed considerably and thus the mixing was enhanced.
