مطالعه رفتار میکروشیر هیدروژلی مدرج حساس به دما با درنظرگرفتن برهم‌کنش سیال و سازه

هیدروژل‌ها مواد پلیمری هوشمند هستند که در تماس با سیال تحت تحریک‌های مختلف فیزیکی و شیمایی تغییر شکل‌های بزرگ می‌دهند. همچنین این مواد به‌عنوان سنسور و عملگر مورد استفاده قرار می‌گیرند از جمله کاربردهای این مواد می‌توان به مسائل مربوط به میکروسیال‌ها اشاره کرد که در آن برهم‌کنش بین سازه و سیال از اهمیت بالایی برخوردار است. از طرفی استفاده از مواد مدرج نیز با توجه به مزایای آنها اهمیت بسزایی دارد. در این پژوهش رفتار یک میکروشیر مدرج هیدروژلی حساس به دما با درنظرگرفتن برهم‌کنش سیال و سازه مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در این راستا ابتدا ابزار عددی مناسب برای تحلیل اجزاء محدود یک میکروشیر مدرج هیدروژلی توسعه داده شده است که پس از صحت‌سنجی برای استفاده در روند شبیه‌سازی برهم‌کنش سیال و سازه مورد استفاده قرار گرفته است. برای بررسی اهمیت مدرج نمودن این میکروشیرها حالت‌های حدی همگن نیز بررسی شده‌اند. همچنین رفتار میکروشیرها بدون درنظرگرفتن برهم‌کنش سیال و جامد نیز شبیه‌سازی شده است. نتایج به‌دست آمده حاکی از آن است که اثرات برهم‌کنش سازه و سیال حایز اهمیت بوده و تاثیرات قابل توجهی بر پارامترهای میکروشیر به‌خصوص دمای بسته‌شدن و دبی سیال عبوری از آن را دارند. بنابراین با درنظرگرفتن پارامترهای کاری از جمله فشار داخلی سیال و چگالی اتصالات عرضی هیدورژل مورد استفاده در دماهای متفاوت مطالعه‌ای دقیق روی میکروشیر انجام گرفته است.

Study of Functionally Graded Temperature-Sensitive Hydrogel Micro-Valve Considering Fluid-Structure Interactions

Hydrogels are the smart polymeric materials, which undergo large deformation when they are subjected to different physical and chemical stimuli in contact with fluids. These materials can be applied as sensors and actuators for instance in microfluidics in which the fluidsolid interactions have an important effect on its performance. On the other hand, the use of graded materials is also important considering their advantages. In this study, the behavior of a functionally graded temperature sensitive hydrogel microvalve is investigated through considering the fluidsolid interactions. In this regard, the appropriate numerical tool for finite element modeling of a functionally graded hydrogel microvalve has been developed that it has been implemented in both non fluidsolid interactions and fluidsolid interactions simulation. The homogeneous cases of the microvalve have also been considered to distinguish the functionally graded temperature sensitive hydrogel microvalve effect. The results indicate that the effect of fluidsolid interactions was important and have considerable impact on microvalve operating parameters particularly its closing temperature and fluid flow rate. Thus, a comprehensive study on hydrogelbased microvalve has been presented considering operating parameters such as inlet pressure and cross linking density of hydrogel.