بررسی و بهینه سازی اثر هندسه و بارگذاری سطح بر راندمان اختلاط الکترواسموتیک در میکروکانال‌های همگرا-واگرا به روش سطح پاسخ

در این تحقیق اثرات توزیع پتانسیل سطحی و تغییرات هندسی بر میزان اختلاط الکترواسموتیک مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه مورد بررسی در این پژوهش، مجموعه‌ای از میکرو کانال‌های همگراواگرا دوبعدی با نسبت‌های مختلف واگرایی است. شبیه سازی جریان الکترواسموتیک به کمک روش عددی شبکه بولتزمن و با تکیه بر حل معادلات ناویراستوکس و پواسونبولتزمن برای محاسبه توزیع میدان سرعت و بار الکتریکی صورت گرفته است. صحت شبیه سازی با مقایسه میان حل عددی به دست آمده از روش شبکه بولتزمن و حل تحلیلی موجود در شرایط بارگذاری یکنواخت مورد ارزیابی قرار گرفته است. در ادامه از روش سطح پاسخ به منظور ارائه رابطه کلی بین متغیرها جریان و در نهایت بهینه سازی شرایط جریان براساس دبی عبوری و راندمان اختلاط استفاده گردیده است. نتایج عددی حاکی از آن است که با افزایش میزان نسبت پتانسیل سطحی و نسبت واگرایی، دبی افزایش و راندمان اختلاط در خروجی کاهش می‌یابد. نوع بارگذاری تاثیر چندانی در میزان دبی ندارد در حالی که اثرات آن بر راندمان مخلوط قابل توجه است. علاوه بر این نتایج نشان داده‌اند که میزان حساسیت دبی و راندمان اختلاط به تغییرات زتاپتانسیل سطح بیشتر از تغییرات نسبت واگرایی است. در انتها پارامترهای بهینه‌ توسط روش سطح پاسخ محاسبه شدند. بر اساس این بهینه‌سازی، مقادیر بهینه 0.5، 0.6 و ppnn به ترتیب برای نسبت پتانسیل سطح، نسبت انسداد و نوع بارگذاری جهت حصول بیشینه دبی و راندمان اختلاط به طور همزمان به دست آمدند.

Investigation and optimization of geometry and zeta-potential effects on electroosmotic mixing efficiency in converging-diverging microchannels by response surface methodology

In this study, effects of zeta potential distribution and geometrical specifications are investigated on mixing efficiency in electroosmotic flows. Flow geometry in this research is a series of convergingdiverging microchannels with different diverging ratios. Governing equations including the Navier Stokes equation for fluid flow and the PoissonBoltzmann equation for internal electrical field are solved numerically in a twodimensional domain by using the lattice Boltzmann method. Numerical simulations are validated against available analytic solutions for electroosmotic flow in homogeneous straight channels. The response surface methodology (RSM) is then employed to investigate relationship between flow variables and consequently to optimize mixing efficiency and flow rate of the channel. Results indicate that increasing the zeta potential ratio and diverging ratio, leads to increased value of flow rate, while meanwhile it decreases the mixing efficiency. Zeta potential pattern does not affect flow rate considerably, but its effects on mixing efficiency is noticeable. Furthermore, it is found that mixing efficiency and flow rate are more sensitive to zeta potential ratio than diverging ratio. At last, optimum parameters are determined by RSM which are 0.5 for zeta potential ratio, 0.6 for diverging height, and ppnn pattern for zeta potential distribution, all associated to simultaneously maximized flow rate and mixing efficiency.