نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

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

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
چکیده
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 178/0 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.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Haghighinia A., Movahedirad S., Rezaei A.K., Mostoufi N., "On-Chip Mixing of Liquids with High-Performance Embedded Barrier Structure," International Journal of Heat and Mass Transfer, 158: 119967 (2020).
[2] Abalde-Cela S., Taladriz-Blanco P., de Oliveira M. G., Abell C., "Droplet Microfluidics for the Highly Controlled Synthesis of Branched Gold Nanoparticles," Scientific reports, 8(1): 1-6 (2018).
[3] Fery A., Dubreuil F., Möhwald H., "Mechanics of Artificial Microcapsules," New journal of Physics, 6(1): 18 (2004).
[4] Zhang X., Stefanick S., Villani F.J., "Application of Microreactor Technology in Process Development," Organic process research & development, 8(3): 455-460 (2004).
[5] Zhu P., Wang L., "Passive and Active Droplet Generation with Microfluidics: A Review," Lab on a Chip, 17(1): 34-75 (2017).
[6] Pekin D., Skhiri Y., Baret J-Ch., Le Corre D., Mazutis L., Ben Salem Ch., Millot F., El Harrak A., Brian Hutchison J.., Larson J.W.., Link D.R.., Laurent-Puig P., Griffiths A. D.., Taly V., "Quantitative and Sensitive Detection of Rare Mutations Using Droplet-Based Microfluidics," Lab on a Chip, 11(13): 2156-2166 (2011).
[7] Xi H.-D., Zheng H., Guo W., Gañán-Calvo A.M., Ai Y., Tsao Ch-W., Zhou J., Li W., Huang Y., Nguyen N-T., Tan S.H., "Active Droplet Sorting in Microfluidics: A Review," Lab on a Chip, 17(5): 751-771 (2017).
[8] Nie Zh., Seo M.S., Xu Sh., Lewis P.C.., Mok M., Kumacheva E., Whitesides G.M.., Garstecki P., Stone H.A.., "Emulsification in a Microfluidic Flow-Focusing Device: Effect of the Viscosities of the Liquids," Microfluidics and Nanofluidics, 5(5): 585-594 (2008).
[9] Gu Z., Liow J.-L., "Micro-Droplet Formation with Non-Newtonian Solutions in Microfluidic T-Junctions with Different Inlet Angles," in 2012 7th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS), IEEE, 423-428 (2012).
[10] Sivasamy J., Wong T.-N., Nguyen N.-T., Kao L.T.-H., "An Investigation on the Mechanism of Droplet Formation in a Microfluidic T-Junction," Microfluidics and nanofluidics, 11(1): 1-10 (2011).
[11] Taassob A., Manshadi M.K.D., Bordbar A., Kamali R., "Monodisperse Non-Newtonian Micro-Droplet Generation in a Co-Flow Device," Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 39(6): 2013-2021 (2017).
[12] Li L. Zhang C., "Electro-Hydrodynamics of Droplet Generation in a Co-Flowing Microfluidic Device Under Electric Control," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 586: 124258 (2020).
[13] Hatami M., Ramiar A., Ranjbar A.-A. J. C. E., Intensification P.-P., "Numerical Assessment of Different Parameters Affecting Droplet Production in an Electro-Hydrodynamic Flow Focusing Device," 131: 190-202 (2018).
[14] Rahimi M., Khorrami A.S., Rezai P.J.C., Physicochemical S.A., Aspects E., "Effect of Device Geometry on Droplet Size in Co-Axial Flow-Focusing Microfluidic Droplet Generation Devices," 570: 510-517 (2019).
[15] Yeh C.-H., Lee M.-H., Lin Y.-C. J. M., nanofluidics, "Using an Electro-Spraying Microfluidic Chip to Produce Uniform Emulsions Under a Direct-Current Electric Field," 12(1-4): 475-484 (2012).
[16] Tan S.H., Semin B., Baret J.-C. J. L. o. a. C., "Microfluidic Flow-Focusing in Ac Electric Fields," 14(6): 1099-1106 (2014).
[17] Li Y., Jain M., Ma Y., Nandakumar K. J. S. M., "Control of the Breakup Process of Viscous Droplets by an External Electric Field Inside a Microfluidic Device," 11(19): 3884-3899 (2015).
[18] Yin S., Huang Y., Wong T. N., Ooi K. T. J. I. J. o. M. F., "Dynamics of Droplet Formation in Flow-Focusing Microchannel under AC Electric Fields," 103212 (2020).
[19] Olsson E., Kreiss G., "A Conservative Level Set Method for Two Phase Flow," Journal of computational physics, 210(1): 225-246 (2005).
[20] Li Y., Jain M., Ma Y., Nandakumar K., "Control of the Breakup Process of Viscous Droplets by an External Electric Field Inside a Microfluidic Device," Soft Matter, 11(19): 3884-3899 (2015).