تحلیل عددی جریان ترکیبی الکترواسموتیک/ فشار محرک با استفاده از یک روش بهبود یافته هیدرودینامیک ذرات هموار تراکم پذیر ضعیف

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد

2 استاد، مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد

3 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه سیرجان، سیرجان

4 دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد

10.22044/jsfm.2021.10153.3265

چکیده

مطالعه حاضر به بررسی و تحلیل عددی جریان الکترواسموتیک همراه با فشار محرک در سیالات نیوتنی می پردازد. معادلات دو بعدی لاپلاس، پواسون-بولتزمن و مومنتوم با استفاده از روش هیدرودینامیک ذرات هموار در یک میکروکانال مستطیلی به صورت عددی حل می شوند. به منظور بهبود روش هیدرودینامیک ذرات هموار از یک الگوریتم بهبود یافته و خوش رفتار برای تحلیل مسائل در میکروکانالها استفاده شده است. جهت اعتبارسنجی الگوریتم اثر پارامترهای پتانسیل زتا و گرادیان فشار اعمالی مورد بررسی قرار گرفته است و با نتایج تحلیلی و عددی مقایسه شده است. در وصله میانی میکروکانال که پتانسیل الکتریکی حضور دارد نیروی حجمی ناشی از جریان الکترواسموتیک روی توزیع سهموی سرعت اثر گذاشته و این اثر در مقاله مورد بحث قرار گرفته و تاثیر تغییر پتانسیل زتا و گرادیان فشار اعمالی بر روی جریان نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که افزایش گرادیان فشار اعمالی باعث می شود سهم توزیع سهموی سرعت در پروفیل سرعت در ناحیه ترکیبی بیشتر شود و توزیع سرعت به سهموی تخت نزدیک شود درحالیکه افزایش پتانسیل زتا باعث می شود سرعت در لایه دوگانه الکتریکی بیشتر شده و توزیع سرعت به شکل زین اسبی در آید.

کلیدواژه‌ها


[1]  Capretto L, Cheng W, Hill M,  Zhang X (2011) Micromixing within microfluidic devices. Top Curr Chem 27-68.
[2]  Reuss F (1809) Charge-induced flow. Proceedings of the Imperial Society of Naturalists of Moscow 3: 327-344.
[3]  Molho J, Herr A, Desphande M, Gilbert J, Garguilo M, Paul P, John P, Woudenberg T, Connel C (1998) Fluid transport mechanisms in microfluidic devices. Proc ASME Mems 66: 69-76.
[4]  Cummings E, Griffiths S, Nilson R,  Paul P (2000) Conditions for similitude between the fluid velocity and electric field in electroosmotic flow. Anal Chem 72(11): 2526-2532.
[5]  Yang C,  Li D (1998) Analysis of electrokinetic effects on the liquid flow in rectangular microchannels. Colloid Surface A 143(2-3): 339-353.
[6]  Patankar N,  Hu H  (1998) Numerical simulation of electroosmotic flow. Anal Chem 70(9): 1870-1881.
[7]  Ren L, Li D (2001) Electroosmotic flow in heterogeneous microchannels. J Colloid Interf Sci 243(1): 255-261.
[8]  Hu J,  Chao C  (2007) A study of the performance of microfabricated electroosmotic pump. Sensor Actuat A-Phys 135(1): 273-282.
[9]  Dutta P, Beskok A, Warburton T (2002) Numerical simulation of mixed electroosmotic/pressure driven microflows. Numer Heat Tr A-Appl 41(2): 131-148.
[10] Dutta P,  Beskok A (2001) Analytical solution of combined electroosmotic/pressure driven flows in two-dimensional straight channels: finite Debye layer effects. Anal Chem 73(9): 1979-1986.
[11] Ramirez J,  Conlisk A (2006) Formation of vortices near abrupt nano-channel height changes in electro-osmotic flow of aqueous solutions. Biomed Microdevices 8(4): 325-330.
[12] Bag N,  Bhattacharyya S (2018) Electroosmotic flow of a non-Newtonian fluid in a microchannel with heterogeneous surface potential. J Non-Newton Fluid 259: 48-60.
[13] Sun C, Shie S (2012) Optimization of a diverging micromixer driven by periodic electroosmotics. Microsyst Technol 18(9-10): 1237-1245.
[14] Wendland H (1995) Piecewise polynomial, positive definite and compactly supported radial functions of minimal degree. Adv Comput Math 4(1): 389-396.
[15] Bonet J, Lok T (1999) Variational and momentum preservation aspects of smooth particle hydrodynamic formulations. Comput Method Appl M 180(1-2): 97-115.
[16] Fatehi R,  Manzari M (2011) Error estimation in smoothed particle hydrodynamics and a new scheme for second derivatives. Comput Math Appl 61(2): 482-498.
[17] Lee E, Moulinec C, Xu R, Violeau D, Laurence D,  Stansby P (2008) Comparisons of weakly compressible and truly incompressible algorithms for the SPH mesh free particle method. J Comput Phys 227(18): 8417-8436.
[18] Fatehi R,  Manzari M (2011) A remedy for numerical oscillations in weakly compressible smoothed particle hydrodynamics. Int J Numer Meth Fl 67(9): 1100-1114.
[19] Shamsoddini R, Aminizadeh N,  Sefid M (2015) An improved WCSPH method to simulate the non-Newtonian power law fluid flow induced by motion of a square cylinder. Cmes-Comp Model Eng 105(3): 209-230