شبیه‌سازی عددی تشکیل قطره تحت تاثیر میدان الکتریکی در یک دستگاه میکروفلوئیدیکی متمرکزکننده جریان

فرآیند‌های تشکیل قطرات، یکی از مهمترین مراحل در بسیاری از دستگا‌های میکروفلوئیدیکی با کاربردهای زیستی و شیمیایی هستند. از عوامل موثر بر فرآیند تشکیل قطره می‌توان به هندسه دستگاه، خواص سیال مورد استفاده، پارامترهای عملیاتی و نیروهای خارجی اشاره کرد. از آنجایی که ساخت نمونه‌های فراوان جهت بهینه‌سازی هندسه‌ی میکروکانال ملزم به صرف هزینه‌های سنگین می‌باشد، در این مطالعه به کمک شبیه‌سازی با تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی به بررسی  فرآیند تشکیل قطره پرداخته شده است. هدف از پژوهش حاضر شبیه‌سازی عددی میکروکانال متمرکزکننده جریان جهت مطالعه ابعاد میکروکانال و تولید قطرات کوچک تحت تاثیر میدان الکتریکی است. نوآوری پژوهش حاضر بررسی پارامترهای هندسی و عملیاتی می‌باشد که در مطالعات قبلی توجه‌ای به آن‌ها نشده است. شبیه‌سازی عددی این تراشه در فضای دو بعدی انجام پذیرفت. با توجه به فیزیک حاکم بر جریان، فازهای جریان تراکم‌ناپذیر فرض شده‌اند. دو پارامتر هندسی طول ناحیه متمرکزکننده جریان و طول اوریفیس مورد بررسی قرار گرفت.  نتایج بدست آمده از این پژوهش نشان داد برای طول100میکرومتر ناحیه متمرکزکننده جریان در ولتاژ‌های بالا قطر قطره تا 55 میکرومتر کاهش می‌یابد. اختلاف زمان تشکیل دو قطره متوالی نیز برای طول 200 میکرومتر این ناحیه در ولتاز 300 ولت تا 0.178 ثانیه افزایش می‌یابد. بررسی طول اوریفیس نشان داد که طول اوریفیس تاثیر چندانی بر قطر قطره نمی‌گذارد اما طول 90 میکرومتر اوریفیس باعث تشکیل قطره بعد از اوریفیس می گردد. همچنین نشان داده شد که وقتی فاصله‌ی الکترود‌ها از یکدیگر کم باشد به علت افزایش نیروی الکتریکی وارد شده به مرز مشترک دوسیال قطره  کوچکتری تشکیل می‌شود. در واقع می‌توان با انتخاب پیکربندی مناسب برای الکترود‌ها در ولتاژ‌های پایین‌تر قطره کوچکتری تشکیل داد.

numerical simulation of electric droplet formation in a flow-focusing microfluidic device

droplet formation process is one of the most important steps in many microfluidic proceses with biological and chemical applications. factors affecting the droplet formation process include the geometry of the device, fluid properties, operating parameters and external forces. since the construction of many samples to optimize the microchannel geometry is required to incur heavy costs, in this study, with the help of computational fluid dynamics technique, the droplet formation process is studied. the purpose of this study is to numerically simulate flow-focusing microchannels to study microchannel dimensions and produce small droplets under the influence of an external electrical field. the innovative aspect of the present work is the study of parameters that have not been considered in open literachar. numerical simulation of this chip was performed in two-dimensional space. according to the flow physics, the phases of the current are assumed to be incompressible. two geometric parameters of flow concentrating region length and orifice length were investigated. the results of this study showed that for a length of 100 μm for the flow focusing region at high voltages, the droplet diameter can be reduced to less than 55 μm. the time difference between the formation of two consecutive drops for a length of 200 μm in this region at 300v increases to 0.178 seconds. it was shown that although the length of the orifice has no considerable effect on the droplet diameter, but at the length of 90 μm, droplets are formed after the orifice. it was also shown that when the distance between the electrodes is short, smaller droplets are formed due to the increase in electrical force applied to the common boundary of the two fluids. in fact, smaller droplets can be formed by selecting the appropriate configuration for the electrodes at lower voltages.