23186

تشكيل الكتريكي ريز قطره در يك نمونه چيپ ازمايشگاهي

كارشناسي ارشد

شبيه‌سازي و كنترل

96-99

1399/6/30

دكتر سلمان موحدي راد

دكتر ساسان اسيايي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

فرآيند‌هاي تشكيل قطرات، يكي از مهمترين مراحل در بسياري از دستگا‌هاي ميكروفلوئيديكي با كاربردهاي زيستي و شيميايي هستند. هدف از پژوهش حاضر طراحي و ساخت ميكروكانال بهينه جهت توليد قطرات تحت تاثير ميدان الكتريكي است. براي تحليل نحوه تشكيل قطرات در يك هندسه متمركزكننده جريان، از روش عددي تنظيم سطح به همراه نرم افزار تجاري سيالاتي كامسول استفاده شد. در ابتدا تاثير پارامترهاي هندسي بر قطر قطرات، زمان تشكيل و مكان تشكيل قطرات بررسي شد. سپس پارامترهاي عملياتي مانند محل قرارگيري الكترودها نحوه‌ي اعمال ميدان الكتريكي، و دبي پالسي فاز پراكنده مورد بررسي قرار گرفتند. ميكروكانال بهينه شده ساخته شد و مورد بررسي تجربي قرار گرفت. نتايج بدست آمده نشان داد براي سه طول200،150،100 ميكرومتر طول ناحيه متمركزكننده ميتوان قطر قطرات را تا50 ميكرومتر كاهش داد. همچنين بررسي سه طول210،150،90ميكرومتر اوريفيس نشان داد كه كاهش طول اوريفيس باعث جدايش ديرتر قطره مي‌شود. بررسي پيكربندي الكترودها نشان داد هرچه الكترودها در فاصله نزديك‌تري نسبت به يكديگر قرار گيرند امكان تشكيل قطرات كوچكتر در حدود 48ميكرومتردر ولتاژهاي مياني(240-360 ولت)بوجود مي‌آيد. اعمال ميدان الكتريكي به صورت پالسي باعث يكنواخت شدن و عدم تشكيل ريزقطرات هنگام جدايش قطره مي‌شود. همچنين مشاهده شد اگر دبي فاز پراكنده قبل از ورود اين فاز به اوريفيس قطع شود به علت ورود حجم كمتري از سيال به اوريفيس قطرات ريزتري تشكيل مي‌شود و اين امر باعث مي‌شود جدايش قطرات زودتر رخ دهد. از بين پارامترهاي عملياتي تاثير دبي فاز پيوسته در دو بخش عددي و آزمايشگاهي مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج بدست آمده نشان داد افزايش دبي فاز پيوسته باعث كاهش قطر قطرات مي‌شود. در بخش دوم پايان نامه جهت بررسي تجربي تاثير ميدان الكتريكي بر فرآيند تشكيل قطرات از يك هندسه هم محور استفاده شد. از روغن زيتون به عنوان فاز تشكيل دهنده‌ي قطره استفاده شد. نتايج بدست آمده نشان داد قرار گرفتن الكترودها در مسير جريان باعث كاهش بيشتر اندازه قطرات تشكيل شده مي‌شود.

1399/10/20

Electric droplet generation in a laboratory chip sample

9/21/2021 12:00:00 AM

Abstract: droplet formation processes are one of the most important steps in many microfluidic devices in biological and chemical applications. The purpose of this study is to design and fabricate an optimal microchannel to produce droplets affected by the electric field. To analyze how droplets form in a flow-focusing geometry, the Numerical Level Set method was used in conjunction with Comsol commercial fluid software. First, the effect of geometric parameters on droplet diameter, time of formation and location of droplet formation was investigated. Then, operating parameters such as the location of the electrodes, the pulse electric field, and the disperse phase pulse flow were investigated. Optimized micro channels were constructed and experimentally investigated. The results showed that reducing the length of the flow focusing region reduces the diameter of the droplets, reducing the length of the orifice causes the droplet to separate later. Also, the closer the electrodes are to each other, the smaller droplets can form at lower voltages. Applying a pulsed electric field causes uniform droplets to form when droplets separate. It was also observed that if the dispersed phase is interrupted before the entry of the orifice, smaller droplets will form due to the entry of a lower flow rate of fluid into the orifice, and this will cause the droplet separation to occur earlier. Among the operational parameters, the effect of continuous phase flow rate was studied in both numerical and laboratory sections. The results showed that increasing the continuous phase flow reduces the droplet diameter. In the second part of the dissertation, a co-flow geometry was used to experimentally investigate the effect of electric field on the droplet formation process. Olive oil was used as the droplet phase. The results showed that the placement of the electrodes in the flow path further reduces the size of the formed droplets.

ميكروفلوئيديك , ريز قطره , ميدان الكتريكي , روش عددي

Microfluidic , Micro droplet , Electrical Field , numerical simulation