عنوان پایان‌نامه
بررسی جریان سیال در میکرو نانو میکسرها و پمپ های الکترواسمتیک با جریان متناوب
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: 1816;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 45977
- تاریخ دفاع
- ۱۶ شهریور ۱۳۸۹
- دانشجو
- رضا نصرتی
- استاد راهنما
- سیداحمد نوربخش, مهرداد رئیسی دهکردی
- چکیده
- در تحقیق حاضر جریان سیال الکترولیت در میکرو و نانو میکسر و پمپ های الکترواسمتیک تحت اثر میدان الکتریکی متناوب اعمالی با استفاده از روش های عددی مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات حاکم بر جریان سیال نیوتنی با فرض تراکم ناپذیری سیال، قطبش پذیری کامل الکترودها، الکترولیت متقارن و عدم الکترولیز الکترولیت با استفاده از روش عددی حجم محدود و با در نظر گرفتن ناهم پوشانی و هم پوشانی لایه دوگانه الکتریکی حل شده اند. در این مطالعه مدل اصلاح شده جدیدی برای هم پوشانی لایه دوگانه بر مبنای مدل نرنست-پلانک و با حذف محدودیت های ناشی از شرط تقارن و تقریب دبی-هاکل به صورت دو بعدی ارائه شده است. نتایج نشان می دهد که با کاهش ارتفاع کانال به ابعاد نانو در نظر گرفتن هم پوشانی لایه دوگانه الکتریکی و اثر غیریکنواختی توزیع پتانسیل زتا بر روی دیواره از اهمیت ویژه ای برخوردار می گردد. در این ابعاد پروفیل سرعت محوری در جریان خالص الکترواسمزی از حالت یکنواخت دور شده و به سمت پروفیل سهموی متمایل می گردد. با بررسی جریان سیال در میکروپمپ الکترواسمتیک متناوب یک طرفه در طول دوره تناوب میدان سرعت، دو مکانیزیم اصلی برای انتقال جریان مشاهده گردید و وابستگی جریان به فرکانس میدان الکتریکی اعمالی، ابعاد الکترودها و تمرکز یونی توده سیال مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دهنده وابستگی شدید جریان به فرکانس می باشد، به نحوی که سرعت متوسط جریان در یک فرکانس مشخص به حداکثر مقدار خود رسیده و با افزایش یا کاهش آن، سرعت متوسط جریان در کانال کاهش می یابد. با ایجاد آرایش متقارنی از الکترودهای نامتقارن هم صفحه، مکانیزم جریان سیال در میکرو پمپ الکترواسمتیک متناوب دوطرفه مورد بررسی قرار گرفته است و سرعت متوسط سیال، پروفیل عرضی سرعت و میزان اختلاط سیال با نوع یک طرفه مقایسه شده است. پس از آن با ورود به ابعاد نانو، توزیع پتانسیل الکترواسمتیک با استفاده از مدل های پواسون-بولتزمن و اصلاح شده حاضر مورد مطالعه قرار گرفت و اختلاف این دو مدل در پیش بینی تأخیر فاز میدان سرعت نسبت به میدان الکتریکی خارجی، دامنه و متوسط نوسانات سرعت، بررسی گردید. در ادامه، میکرو میکسرهای الکترواسمتیک متناوب مورد بررسی قرار گرفت که نتایج نشان دهنده افزایش ضریب مؤثر اختلاط با افزایش میدان الکتریکی اعمالی در طول زمان می باشند. همچنین مشخص گردید که مدل اصلاح شده حاضر به دلیل پیش بینی سرعت عرضی بزرک تر و سرعت محوری کوچک تر ضریب موثر اختلاط بزرگ تری را در مقیاس نانو ارائه می کند.
- Abstract
- Numerical study of AC electroosmotic flow in micro and nano mixers and pumps is presented and disscused. Governing equations for incompressible Newtonian fluid are solved under the assumptions of ideal electrodes polarization and symmetric electrolyte, with and without considering electric double layer (EDL) overlapping, via finite volume scheme. A new modified two-dimensional model for ionic concentration distribution was presented based on Nernst-Planck model. It was found that, in the proposed model symmetry condition, Debye-Huckle approximation and uniform zeta potential distribution along the walls, that limit the application, were avoided. Results indicate the importance of considering EDL overlap and nonuniform zeta potential distribution along the walls by decreasing the channel height to nano scale. In the nano scale, the velocity profile of pure electroosmosis flow is not plug-like any more and tends to parabolic profile by decreasing channel height. Furthermore, two main mechanisms responsible for deriving the flow in AC electroosmosis micropumps were presented. Effects of applied electric field frequency, electrodes size and bulk ionic concentration on flow characteristics has been investigated. Results show that the flow velocity strongly depends on applied electric field frequency, as the fluid velocity reaches to its maximum value at a characteristic. By considering symmetric arrangement of plain asymmetric electrodes, double side AC electroosmosis micropump was also studied. Velocity profiles and mixing efficiency were compared with one side AC electroosmosis micropump. Electroosmotic potential distribution was studied by employing Poisson-Boltzmann and the new modified models in nano channels. A comparison between these models has been studied by considering phase delay, amplitude and magnitude of velocity oscillations. Moreover, flow streamlines, species concentration contours and mixing efficiency in AC electroosmosis micromixers were studied. It was found that increase in applied electric field results in increasing mixing efficiency. Results show that mixing efficiency increases as the zeta potential and amplitude of external AC electric field are increased and decreases as the channel height and Reynolds number are decreased. Finally, it was found that by employing the new modified model for EDL overlap in AC electroosmosis nanomixers instead of Poisson-Boltzmann model, the mixing efficiency increases.
