مدل‎سازي پخش ذرات در جريان الكترواسمزي سيال ويسكوالاستيك در ميكروكانال دو صفحه موازي

كارشناسي ارشد

فرايندهاي جداسازي

بهمن 1395

دكتر سيد نظام‎الدين اشرفي‎زاده - دكتر آرمان صادقي

شيمي

در اين پژوهش، انتقال جرم يك آناليت در جريان الكترو اسمز سيال ويسكوالاستيك در داخل يك ميكرو كانال دو صفحه موازي بررسي گرديد. مطالعه انتقال جرم بر مبناي تحليل «پخش هيدروديناميكي» يا «پخش تيلور» صورت پذيرفت. ابتدا با استفاده از خطي‎سازي دباي-هاكل، يك حل تحليلي براي توزيع پتانسيل الكتريكي و يك حل تحليلي براي توزيع سرعت ارايه شد. سپس با بهره‎گيري از معادله توزيع سرعت و نيز فرضيات ساده كننده محدودي، معادله‎اي براي توزيع غلظت ارايه شد كه نهايتاً منجر به محاسبه ضريب نفوذ مؤثر گرديد. حل تحليلي مذكور سپس با حل عددي معادلات كوپل شده فوق مقايسه گرديد و مشخص شد كه تقريب خطي ساز دباي-هاكل با تحميل كم‎تر از 1% خطا، به نحو مطلوبي حل تحليلي را پيش‎بيني مي‎كند. سپس با رويكردي متفاوت و كاملاً مبتني بر فيزيك مسأله و استفاده از پديده پخش تيلور، به بررسي نحوه پخش جزء محلول براي سيال ويسكوالاستيك در ميكرو كانال دو صفحه موازي پرداخته شد. بر اين اساس، مدلي براي پيش‎بيني رفتار هيدروديناميكي و سپس فيزيك انتقال جرم ارايه شد. در اين راستا، باندي از يك حل‎شونده فرضي خنثي به داخل كانال تزريق گرديد و پخش شدن آن از طريق متوسط‎گيري غلظت در هر سطح مقطع پيگيري شد. مشخص گرديد روش‎هاي تحليلي و عددي علي‎رغم تفاوت‎هاي بنيادين، تطابق خوبي با هم داشته و خطاي متوسط در حدود 8% حاصل شد. به‎عنوان مثال؛ براي 100Κ=، 10ϵWe^2= و 10Pe=، مقدار ضريب نفوذ مؤثر حاصل از حل تحليلي و مدل‎سازي به‎ترتيب برابر با 0337/1 و 0203/1 شدند. محدود بودن خطاي مزبور گوياي آن است كه فرضيات ساده كننده براي ارايه حل تحليلي دور از واقعيت نبوده است. رسم تغييرات غلظت متوسط حل‎شونده در بازه‎هاي زماني مختلف نشان داد مدلِ توسعه داده شده براي جريان الكترو اسمزي مي‎تواند توسط تزريق‎هاي چندگانه براي جداسازي و يا انتقال مايع مورد استفاده قرار گيرد. هم‎چنين مشاهده شد ضريب نفوذ مؤثر، يك تابع كاهشي از پارامتر دباي-هاكل و يك تابع افزايشي از ميزان الاستيكي بودن سيال و عدد پكلت است.

1395/12/21

1/1/1900 12:00:00 AM

In this research, mass transfer of an analyte through electroosmotic flow of a viscoelastic fluid within a slit microchannel is investigated. The study of mass transfer was performed based on “hydrodynamic dispersion” o​r “Taylor dispersion” analysis. First, an analytical solution for electrical potential distribution an​d an analytical solution for velocity distribution were introduced by means of Debye-Hückel linearization. Then by utilizing velocity distribution equation beside few limited simplifying assumptions, the concentration distribution equation was obtained that ultimately led to the calculation of effective diffusion coefficient. Mentioned analytical solution is then compared with numerical solution of above coupled equations an​d we found that the Debye-Hückel linearization predicts the analytical solution desirably with imposing less than 1% of error. Afterwards, by employing a completely different physics-based point of view an​d also using Taylor dispersion theory, the details of an analyte dispersion through viscoelastic fluids in a slit microchannel was discussed. Accordingly, a model was developed to predict the behavior of hydrodynamic an​d consequently the physics of mass transport. In this regard, a band of uncharged solute was injected into the channel an​d its dispersion was monitored by averaging concentration across any cross section. It was found that, both analytical an​d numerical approaches were in a good agreement despite their fundamental differences an​d average error was about 8%. As an example, for Κ=100, ϵWe^2=10 an​d Pe=10, amounts of the dimensionless effective diffusion coefficient yield from analytical approach an​d modeling were equal to 1.0337 an​d 1.0203 respectively. This indicates that the simplifying assumptions to provide analytical solution are physically reliable. Variations of average concentration at different time intervals reveal that the developed model for electroosmotic flow can be used for separation and/or transmit of liquid by multiple injections. It was also observed, the effective diffusion coefficient is a decreasing function of Debye-Hückel parameter an​d an increasing function of both elasticity level an​d Péclet number.