بررسي و بهينه سازي اثر هندسه و بارگذاري سطح بر راندمان اختلاط الكترواسموتيك در ميكروكانال‌هاي همگرا - واگرا به روش سطح پاسخ

Investigation and optimization of geometry and zeta-potential effects on electroosmotic mixing efficiency in converging-diverging microchannels by response surface methodology

در اين تحقيق اثرات توزيع پتانسيل سطحي و تغييرات هندسي بر ميزان اختلاط الكترواسموتيك مورد بررسي قرار گرفته است. هندسه مورد بررسي در اين پژوهش، مجموعه‌اي از ميكرو كانال‌هاي همگرا-واگرا دوبعدي با نسبت‌هاي مختلف واگرايي است. شبيه سازي جريان الكترواسموتيك به كمك روش عددي شبكه بولتزمن و با تكيه بر حل معادلات ناوير-استوكس و پواسون-بولتزمن براي محاسبه توزيع ميدان سرعت و بار الكتريكي صورت گرفته است. صحت شبيه سازي با مقايسه ميان حل عددي به دست آمده از روش شبكه بولتزمن و حل تحليلي موجود در شرايط بارگذاري يكنواخت مورد ارزيابي قرار گرفته است. در ادامه از روش سطح پاسخ به منظور ارائه رابطه كلي بين متغيرها جريان و در نهايت بهينه سازي شرايط جريان براساس دبي عبوري و راندمان اختلاط استفاده گرديده است. نتايج عددي حاكي از آن است كه با افزايش ميزان نسبت پتانسيل سطحي و نسبت واگرايي، دبي افزايش و راندمان اختلاط در خروجي كاهش مي‌يابد. نوع بارگذاري تاثير چنداني در ميزان دبي ندارد در حالي كه اثرات آن بر راندمان مخلوط قابل توجه است. علاوه بر اين نتايج نشان داده‌اند كه ميزان حساسيت دبي و راندمان اختلاط به تغييرات زتاپتانسيل سطح بيشتر از تغييرات نسبت واگرايي است. در انتها پارامترهاي بهينه‌ توسط روش سطح پاسخ محاسبه شدند. بر اساس اين بهينه‌سازي، مقادير بهينه 0.5، 0.6 و pp-nn به ترتيب براي نسبت پتانسيل سطح، نسبت انسداد و نوع بارگذاري جهت حصول بيشينه دبي و راندمان اختلاط به طور همزمان به دست آمدند.

In this study, effects of zeta potential distribution and geometrical specifications are investigated on mixing efficiency in electroosmotic flows. Flow geometry in this research is a series of converging-diverging microchannels with different diverging ratios. Governing equations including the Navier Stokes equation for fluid flow and the Poisson-Boltzmann equation for internal electrical field are solved numerically in a two-dimensional domain by using the lattice Boltzmann method. Numerical simulations are validated against available analytic solutions for electroosmotic flow in homogeneous straight channels. The response surface methodology (RSM) is then employed to investigate relationship between flow variables and consequently to optimize mixing efficiency and flow rate of the channel. Results indicate that increasing the zeta potential ratio and diverging ratio, leads to increased value of flow rate, while meanwhile it decreases the mixing efficiency. Zeta potential pattern does not affect flow rate considerably, but its effects on mixing efficiency is noticeable. Furthermore, it is found that mixing efficiency and flow rate are more sensitive to zeta potential ratio than diverging ratio. At last, optimum parameters are determined by RSM which are 0.5 for zeta potential ratio, 0.6 for diverging height, and pp-nn pattern for zeta potential distribution, all associated to simultaneously maximized flow rate and mixing efficiency.