بررسي اختلاط سيال غيرنيوتوني در جريان تركيبي الكترواسموتيك/ فشار محرك درون ميكروكانال ناهمگن با موانع مستطيلي

Investigation of non-Newtonian fluid mixing in combined electroosmotic/pressure driven flows inside nonhomogeneous microchannel with rectangular obstacles

در اين مقاله پديده‌ي اختلاط در جريان‌هاي تركيبي الكترواسموتيك/فشار محرك براي سيال غيرنيوتوني در ميكروكانال‌ با مانع مستطيلي و زتاپتانسيل غيرهمگن به صورت عددي مورد مطالعه قرار گرفته است. رفتارغير نيوتوني سيال با استفاده از قاعده تواني بر جريان اعمال مي‌گردد. همچنين به منظور مدل‌سازي توزيع حاكم بر يون‌هاي الكتريكي در كانال و ميدان حاكم بر پتانسيل الكتريكي، از معادله‌ي غيرخطي پواسون-بولتزمن بهره گرفته مي‌شود. حل عددي معادلات حاكم بر انتقال مومنتوم، ميدان الكتريكي و ميدان غلظت با به كارگيري روش المان محدود صورت گرفته است. در تحليل حاضر، تأثير پارامترهاي گراديان فشار، شاخص رفتار رئولوژيكي سيال و همچنين تأثير پارامترهاي فيزيكي و هندسي موانع مستطيلي بر كيفيت اختلاط مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج به دست آمده نشان داد كه اعمال گراديان فشار معكوس بر جريان، رفتار ديلاتنتي سيال و همچنين ارتفاع بيشتر موانع بر بهبود اختلاط درون كانال بسيار مؤثر هستند. همچنين مشخص شد كه در حالتي كه كانال داراي زتاپتانسيل ناهمگن باشد افزايش طول موانع راندمان اختلاط را به طور محسوسي افزايش مي‌دهد. اما براي كانال با زتاپتانسيل همگن، افزايش طول مانع اثر اندكي بر راندمان اختلاط دارد.

In this article, mixing in the combined electroosmotic/pressure driven flows of non-Newtonian fluid in a microchannel with rectangular obstacles and non-homogeneous ζ-potential has been studied numerically. The non-Newtonian behavior of the fluid is considered for the flow field using power law rule. Also, the nonlinear Poisson-Boltzmann equation is used to model the distribution of ions across the channel and the electric potential. Numerical solutions of coupled equations of momentum, electric field and concentration field are performed by means of finite element method. In this study, the effects of various parameters such as pressure gradient, rheological behavior of the fluid and the geometrical and physical parameters of obstacles on the mixing quality are investigated. The results indicate that applying adverse pressure gradient to the flow, the dilatant behavior of the fluid, as well as the height of barriers, is highly effective in the enhancement of the mixing quality within the microchannel. It is found that for microchannels with heterogeneous ζ-potential, increasing the length of obstacles significantly increases the mixing efficiency while for the microchannels with homogeneous ζ-potential, barrier length has a slight effect on mixing efficiency.