مدلسازی و بررسی تجربی عملکرد هندسه‌های مختلف میکروکانال‌های عریض و باریک در به-دام اندازی ذرات

نوع مقاله : مقاله مکانیک

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

2 گروه مهندسی برق، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی(ره)، قزوین، ایران

3 گروه مکانیک. دانشکده فنی. دانشگاه بین المللی امام خمینی

4 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی(ره)، قزوین، ایران

10.22075/jme.2021.24416.2140

چکیده

در این مقاله به روشی ابداعی (شبه سه بعدی) موفق شدیم تاثیر همزمان نیروهای اینرسی و مگنوس را به منظور متمرکز سازی و به دام‌اندازی ذرات در کانال‌های مستقیم و عریض و باریک، شبیه سازی نماییم. همچنین هندسه های متفاوتی نسبت به کارهای پیشین برای استفاده در این نوع از ادوات بررسی شده است که پیش از این شبیه سازی نشده بود. شبیه‌سازی‌ها در محیط نرم افزار کامسول که مبتنی بر روش‌های المان محدود می‌باشد، صورت گرفته است و آزمایش‌ها با استفاده از میکروکانال‌های ساخته شده با روش لیتوگرافی و ماده‌ی PDMS و عکس‌برداری توسط میکروسکوپ نوری انجام شده است. استفاده از روش شبیه‌سازی شبه سه بعدی موجب شد زمان شبیه‌سازی‌ها 88% کاهش یابد. نتایج نشان می‌دهد با افزایش قطر ذرات و عدد رینولدز جریان در میکروکانال‌ها، ذرات سریع‌تر به تعادل می‌رسند و با تغییر نسبت ابعادی کانال، موقعیت تعادلی ذرات تغییر می‌کنند و الگوهای تعادلی مختلفی مشاهده می‌شود. در کانال‌های عریض و باریک نیز افزایش قطر ذرات موجب افزایش بازدهی بدام اندازی کانال می‌شود. نتایج آزمایشگاهی نیز صحت نتایج شبیه‌سازی را مورد تایید قرار می‌دهد و ذرات 19 میکرونی در بخش عریض کانال بدام افتاده درحالیکه ذرات 10 میکرونی از آن خارج می‌شوند. اما افزایش دبی تنها تا رسیدن به بهینه‌ی آن یعنی ml/min 35/0 موجب افزایش بازده می‌شود و پس از آن افزایش دبی تاثیر مثبتی بر بازده ندارد. همچنین با تغییر هندسه‌ی بخش عریض از مستطیل به دایره، بازدهی به دام اندازی افزایش و به 0.86 رسید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical and experimental study of different geometries of expansion-contraction microchannels in particle sorting

نویسندگان [English]

  • Hanieh Heidari 1
  • Seyed Ali Hosseini, 2
  • سید عباس سادات سکاک 3
  • rajabpour rajabpour 4
1 Mechanical Engineering Department, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
2 Electrical Engineering Department, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
3 Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
4 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی(ره)، قزوین، ایران
چکیده [English]

In this paper, a new simulation method (quasi-three-dimensional) is introduced to model devices based on inertial and Magnus forces. Simulations were computed using the COMSOL software. The experiments were performed using micro channels made by lithography method out of PDMS and glass slides. The use of quasi-three-dimensional simulation method made the simulation time much shorter. Results showed with increasing the particle diameter and the flow Reynolds number in microchannels, particles reach their equilibrium positions faster and with changing aspect ratio of channel, equilibrium position of particles changed and different steady state patterns were observed. In expansion-contraction channels, increasing the particle diameter also increases the channel efficiency. But increasing the flow rate to reach its optimum of 3.5ml/min enhances the efficiency and then, increasing flow rate beyond it, would not have a positive effect on efficiency anymore. Also with changing geometry of expansion section from rectangle to circle, the capture efficiency reached 0.86. Experimental results also confirm the accuracy of the simulation results and 19 micrometer particles are trapped in the wide part of the channel and 10 micrometer particles come out of it.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Microfluidics
  • Inertial Separation
  • Magnus
  • secondary flow
  • Hydrodynamics Lift
  • Vortex