بررسی عددی و تحلیلی ولتاژ القائی در جریان مایع فشار- محرک درون ریزمجراها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 نویسنده مسئول و استادیار دانشگاه بیرجند، دانشکده مهندسی، گروه مکانیک؛

2 دانشیار دانشگاه فردوسی مشهد، دانشکده مهندسی، گروه مکانیک؛

چکیده

در مطالعة حاضر، اثرات متقابل جریان مایع فشار- محرک درون یک ریزمجرا و ولتاژ القائی در شرایط جریان الکتریکی صفر، به طور عددی و تحلیلی بررسی می‌شوند. معادلات حاکم شامل معادله پواسون برای توزیع پتانسیل الکتریکی، معادلات ارنست- پلانک برای توزیع چگالی بار، معادله پیوستگی و معادلات ناویر- استوکس اصلاح شده برای یک جریان پایدار تراکم‌ناپدیر از یک سیال نیوتنی به روش حجم محدود حل می‌شوند. در صورت حضور لایة دوگانة الکتریکی و اعمال شرایط ولتاژ القایی حداکثر، دبی جرمی جریان نسبت به دبی نظیرش در جریان فشار- محرک خالص، کاهش ناچیزی می‌یابد. منحنی تغییرات پتانسیل القائی بر حسب زتا پتانسیل دیوار،  با کمال تعجب نشان می دهد که در زتا پتانسیل‌های کمتر از 100  میلی ولت، پتانسیل القائی به یک مقدار حداکثر رسیده و سپس نزول می‌کند. دلیل این امر، افزایش ناگهانی ضریب هدایت الکتریکی متوسط است. ضریب هدایت الکتریکی متوسط، در زتا پتانسیل‌های بالاتر از 100 میلی ولت به طور نمایی افزایش می‌یابد و لذا تجربه مرسوم در ثابت فرض نمودن آن، فقط برای زتا پتانسیل‌های کم، (یعنی کمتر از 100 میلی ولت) قابل توجیه است. 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical and Analytical Investigation of Induced Voltage in the Liquid Pressure-Driven Micro-Flows

نویسندگان [English]

  • Seyed Ali Mirbozorgi 1
  • Hamid Niazmand 2
چکیده [English]

In the present study, the interplaying effects of a pressure-driven flow and the induced electric potential, corresponding to the zero net electrical current, have been numerically investigated. The governing equations, which consist of the Poisson equation for the distribution of electric potential, the Nernst-Planck equation for the distribution of charge density, and the modified Navier-Stokes equations for the flow field are solved numerically for an incompressible steady flow of a Newtonian fluid using the finite-volume method. In the presence of electric double layer and the maximum induced voltage condition, the mass flow rate decreases negligibly with respect to the corresponding pure pressure-driven fellow. Surprisingly, the absolute value of induced voltage approaches a maximum value at zeta potentials smaller than 100 mV and then drops. The exponentially increase of the average electric conductivity coefficient beyond 100 mV is accounted for this behavior. Thus the common practice of assuming constant electric conductivity is justified at low zeta potentials.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Electrokinetics effects
  • Induced potential
  • Zeta Potential
  • Microchannel
  • Pressure-driven flow

مراجع

[1] Burgreen, D. and Nakache, F.R., Electrokinetic flow in ultra fine capillary slits. The Journal of Physical Chemistry, 68, pp.1084-1091, 1964.
[2] Chen, X.Y., Toh, K.C., Yang, C. and Chai, J.C., Numerical computation of hydrodynamically and thermally developing liquid flow in microchannels with electrokinetics effects, ASME, 126, pp. 70-75,2004.
[3] Chun, M.S., Lee T.S., and Choi, W., Microfluidic analysis of electrokinetic streaming potential induced by microflows of monovalent electrolyte solution, J.Micromech. Microeng, 15, pp. 710-719, 2005.
[4] Gad-el-Hak, M. (2000) Flow Control: Passive, Active, and Reactive Flow Management, 448 pages,Cambridge University Press, London, United Kingdom. Reprinted in paperback 2006.
[5] Hunter, R. J., Zeta Potential in Colloid Science: Principles and Applications, Academic Press,London, 1981.
[6] Levine, S., Marriott, J.R., Neale, G. and Epstein, Theory of electrokinetic flow in fine cylindrical capillaries at high zeta potential, 52, pp.136-149,1975.
[7] Mansouri, A., Scheuerman, C., Bhattacharjee, S., Kwok, D.Y. and Kostiuk, L.W., Influence of entrance and exit conditions on the transient evolution of streaming potential in a finite length microchannel, 3rd international conference on microchannels and minichannels, ICMM2005-75176, 2005.
[8] Masliyah, J.H., Electrokinetic transport phenomena. Alberta oil sands technology and research authority,1994.
[9] Mirbozorgi, S. A., Niazmand, H., Renksizbulut, M., “Streaming Electric Potential in Pressure-Driven Flows Through Reservoir-Connected Microchannels”, J. Fluids Eng., October 2007,Volume 129, Issue 10, 1346 (12 pages),
DOI:10.1115/1.2776967.
[10] Ren, L., Qu, W. and Li, D., Interfacial electrokinetic effects on liquid flow in microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 44, pp.3125-3134, 2001.
[11] Ren, L., Li, D. and Qu, W., Electro-viscous effects on liquid flow in Microchannels, J Colloid and Interface Science, 233, pp.12-22, 2001.
[12] Rhie, C. M., and Chow, W. L., “Numerical Study of the Turbulent Flow Past an Airfoil with Trailing Edge Separation,” J. AIAA, 21, pp. 1525-1532,1983.
[13] Rice, C. L., and Whitehead, R., “Electrokinetic Flow in a Narrow Cylindrical Capillary,” J. Phys. Chem., 69, pp. 4017-4023, 1965.
[14] Van-Doormaal, J. P., and Raithby, G. D., “Enhancement of the SIMPLE Method for Predicting, Incompressible Fluid Flows,” Numer. Heat Transfer, 7, pp.147-63, 1984.
[15] Weast, R., Astle, M. J., and Beyer, W. H., CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, Boca Raton FL, 1986.
[16] Yang, C. and Li, D., Electrokinetic effects on pressure-driven liquid flows in rectangular microchannels. J. Colloid and Interfacial Science 194, pp.95-107, 1997.
[17] Yang, C., Li, D. and Masliyah, J.H., Modeling forced liquid convection in rectangular microchannels with electrokinetic effects, International Journal of Heat and Mass Transfer, 41, pp. 4229-4249, 1998.
[18] Yang, J. and Kwok, D.Y., Analytical treatment of electrokinetic microfluidics in hydrophobic microchannel, Analytica Chemica Acta, 507, pp. 39-53, 2004.
[19] Yang, J. and Kwok, D.Y., Effect of liquid slip in electrokinetic parallel-plate microchannel flow, J Colloid and Interface Science, 260, pp. 225-233, 2003
[20] Yang, J., Lu, F., Kostiuk, L.W. and Kwok, D.Y., Electrokinetic microchannel battery by means of electrokinetic and microfluidic phenomena, J. Micromech. Microeng., 13, pp. 963-970, 2003.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار