شبیه‌سازی مکانیزم میکروپمپ

میکرو پمپ‌ها اجزای کلیدی سیستم‌های میکروفلوئیدی با برنامه‌های کاربردی از جمله انتقال مایعات بیولوژیکی به خنک کننده‌های میکرو الکترونیک هستند. این مدل شبیه‌ساز مکانیکی از یک میکروپمپ بدون دریچه [یا انسداد فیزیکی برای تنظیم جهت جریان] است که در رینولدز پایین بطور موثری بر برگشت پذیری هیدرودینامیکی غلبه می‌کند. پمپ‌های بدون دریچه اغلب در سیستم‌های میکروفلوئید ترجیح داده می‌شوند، زیرا آنها خطر مسدود شدن را کم می کنند و در مواد بیولوژیکی ملایم و آرام هستند. رابط فیزیکی Fluid-Structure Interaction برای تحلیل مدل و بررسی تغییرشکل جامد درون سیال و کوپلینگ دوطرفه استفاده شده است. همچنین رابط ریاضی Global ODEs and DAEs برای محاسبه‌ی دبی انتقالی در یک سیکل پمپ بکار گرفته شده است.

 بیشتر پمپ‌های بدون دریچه، در رینولدز پایین کارایی خوبی ندارند، درنتیجه در سیالات ویسکوز و کاربردهای دارای ابعاد کوچک یا نرخ جریان کم، مناسب نمی‌باشد. این عمدتا به این دلیل است که بدون دریچه، دستیابی به جریان مداوم در یک جهت مشخص دشوار است.

مکانیزم شبیه سازی شده در این مدل این محدودیت را با تبدیل حرکت سیال نوسانی، ناشی از یک مکانیزم پمپاژ مجاور ساده، به یک جریان خالص در یک جهت، برطرف می‌کند.این نسبتا آسان است که یک مکانیسم پمپاژ نوسانی در یک سیستم میکروفلوئیدی ایجاد شود، برای مثال یک غشاء می‌تواند توسط نوسان پیزو ارتعاشی شود تا به صورت دوره‌ای حجم یک میکروکانال را تغییر دهد. در این مدل یک جریان نوسانگر به یک کانال حاوی میکرو فلاپ‌های قابل انعطاف، اعمال می‌شود. تغییر شکل میکرو فلاپ‌ها در پاسخ به حرکت سیال، شکل جریان سیال را تغییر می‌دهد و موجب جریان خالص در جهت ثابت می‌شود. ماهیت غیرفعال(Passive) تنظیم جهت جریان بدون استفاده از مکانیزم پیچیده‌ی کنترل جریان با استفاده از دریچه در جهت خاص، در پمپ‌های میکروفلوئیدی بدون دریچه، مزیت بزرگی محسوب می‌شود.

در این مدل، رابط چند فیزیکی Fluid-Structure Interaction برای تعیین جریان نوسانی همراه با خواص مکانیکی فلپ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. تغییر شکل فلپ‌ها و جریان سیال به عنوان تابعی از زمان برای دو دوره کامل مکانیزم پمپاژ محاسبه می شود. این اجازه می‌دهد تا عملکرد مکانیزم فیزیکی تولید جریان تک جهته با استفاده از انیمیشن به وضوح تجسم شود. همچنین به عنوان تجسم جریان و جهت جریان به عنوان یک تابع از زمان در طول دوره پمپاژ، ادغام ساختاری(که در اینجا انتگرال‌گیری و تعریف متغیرهاست) همراه با رابط  Global ODEs and DAEs برای محاسبه حجم خالص از چپ به راست به عنوان تابعی از زمان استفاده می شود. این نمونه‌ای از نحوه عملکرد یک رابط COMSOL است که می‌تواند با استفاده از معادله سفارشی مشخص شده در یک رابط ریاضیات بهبود یابد و نشان دهنده سهولت تعریف و اضافه نمودن معادلات توسط کاربر به مدل COMSOL  می‌باشد.

تعریف مدل

هندسه مدل در شکل 1 نشان داده شده است. از کانال افقی که طول آن 600 میکرومتر و عرض 100 میکرومتر تشکیل شده است. یک اتاق عمودی  در نقطه مرکزی در امتداد طول آن به کانال متصل می‌شود. دو فلپ کج به انتهای کانال متصل می‌شوند به طوری که آنها بخشی از جریان در طول کانال را مسدود می‌کنند. در زاویه 45 درجه نسبت به افق نسبت به مرکز کانال با هم فاصله دارند. توجه داشته باشید که این مدل دو بعدی نشان دهنده یک مقطع عرضی از نقطه مرکزی کانال در جهت خارج از صفحه است. ضخامت خارج از صفحه از 10 میکرومتر برای محاسبه حجم مایع پمپ شده به عنوان تابعی از زمان استفاده شده است. با این حال، به دلیل عدم وجود اثرات لبه به دلیل دیوارهای خارج از صفحه، این معادل مدل سازی یک بخش عمیق 10 میکرومتر از کانال بسیار ضخیم است.

سیملب سنتر
شکل1: هندسه‌ی مدل شامل یک کانال افقی و یک اتاقک عمودی است. فلپ‌های مورب در میان کانال، حرکت سیال نواسانی از مرز مشخص شده را تبدیل به جریان سیال از چپ به راست در کانال سیال می‌نمایند.

فیزیک مساله نیازمند رابط تقابل سیال و جامد است. شرط مرزی ورودی به قسمت بالایی اتاقک عمودی به صورت سرعت ورودی سینوسی با پریود یک ثانیه اعمال می‌شود. همچنین شرط مرزی خروجی برای دو طرف کانال که انتگرال روی مرز تحت عنوان intopL و intopR برای مرز چپ و راست‌،اعمال می‌گردد که برای محاسبه‌ی دبی خروجی از هر مرز بکار می‌رود. که توسط تعریف متغیر،‌محاسبه می‌شود. دبی از طریق اپراتور انتگرالی و متغیر u_fluid که سرعت سیال در راستای طولی است، محاسبه می‌شود که باید در عمق 10 میکرومتر، ضرب شود. کل دبی جریان یافته از سمت چپ به راست(UoutNet)، از طریق تفاوت دبی سمت چپ از راست بوده که اگر این مقدار مثبت باشد، به معنای جریان در همین سو می‌باشد.

در نهایت رابط ریاضی Global ODEs and DAEs از کل دبی نسبت به زمان انتگرال می‌گیرد تا کل حجم سیال انتقالی(Vpump)، محاسبه گردد. توجه بفرمایید که از اپراتور timeint نیز می‌توان برای محاسبه‌ی کل حجم انتقالی بجای رابط ریاضی، استفاده نمود، اما اشاره به این نکته ضرورت دارد که رابط ریاضی در حین حل از استِپ‌های حلگر حین حل مساله، بهره می‌گیرد، حال آنکه timeint از استِپ‌های ذخیره شده، درنتیجه، دقت رابط ریاضی، بیشتر خواهد بود.

مش به گونه‌ای تنظیم شده است که در اطراف فلپ‌های کج شده ریزتر شود تا تنش را در فلپ‌ها حین خمش حل کند. مش در شکل 2 نشان داده شده است.

سیملب سنتر
شکل2: مش، قبل از هرگونه تغییر شکل ساختاری

یک مطالعه‌ی زمانی، طی دو ثانیه تحلیل، لازم است تا نوسان کاملی از سرعت ورودی داشته باشیم. و یکسری تغییرات جزئی در حل‌گر لازم‌الاجرا است تا از درستی نتایج، اطمینان یابیم، این تغییرات، قدم به قدم در ویدئو، توضیح داده شده است. به ویژه گام زمانی حداکثر، 0.01 ثانیه است. این لازم است تا از تغییر ناگهانی در جریان سیال، به واسطه‌ی تغییر شکل، جامد، جلوگیری شود. گام زمانی دیفالت، طوری تنظیم شده که به حل‌گر اجازه می‌دهد، گام‌های زمانی بزرگی نیز، حین حل بردارد اما این در مواقعی خوب است که تغییرات ناگهانی یا شدید در سیستم رخ ندهد. به هرحال، استفاده از تنظیم حداکثر گام زمانی در مسائل تقابل سیال و جامد، برای عدم از دست رفتن تغییرات ناگهانی در حین حل، مفید خواهد بود.

لازم به اشاره است که هندسه بصورت پارامتری مدل شده که در شاخه‌ی پارامترها، می‌توان مقادیر آن را تغییر داد، همچنین خصوصیات ماده و سرعت ورودی به اتاقک. به‌علاوه عدد رینولدز موثر می‌تواند با تغییر ویسکوزیته و سرعت سیال ورودی، به کمک پارامتر تناسبی coeff، به رینولدز هدف دست یابد. که پارامتر Re_check نیز به منظور درستی تنظیمات، ارائه شده است. مدل در رینولدز 16، تنظیم شده است، اما به سادگی می‌توان نشان داد که در رینولدز کمتر از یک نیز، این سیستم، همچنان کارایی دارد.

نتایج و بحث

مکانیزم جهت گیری جریان به همراه تنش وارد بر جامد در شکل 3 نشان داده شده است، درواقع هنگامی که جریان از اتاقک عمودی وارد کانال می‌شود، فلپ سمت راست به سمت پایین خم می‌شود و فلپ سمت چپ به سمت بالا. در شکل 3 که در زمان 0.26 ثانیه نشان داده شده است، سرعت سیال ورودی در بیشینه‌ی مقدار خود قرار دارد. طبق خمش نامتقارن فلپ‌ها، سیال راحت‌تر از سمت راست، خارج می‌شود. در هنگام بالا رفتن، وقتی سیال از کانال به داخل اتاق عمودی کشیده می شود، فلپ‌ها در جهت مخالف خم می‌شوند. که در شکل 4 در زمان 0.74 ثانیه، نشان داده شده است. حالا فلپ سمت راست، بیش از فلپ سمت چپ جریان را محدود می کند، و اکثر سیالی که به داخل اتاق عمودی کشیده شده است از خروجی سمت چپ است.

 در نتیجه‌ی این رفتار، بطور کلی، جریان سیالی از چپ به راست در کانال به وجود می‌آید. که ممکن است کاربرد‌های زیادی در سیستم‌های میکروفلوئیدی داشته باشد. برای مثال این سیستم می‌تواند برای انتقال قطره‌ای از مخزن متصل به خروجی سمت چپ برای انتقال آن به کانال میکروفلوئیدی سمت راست، بکار گرفته شود. همچنین ازین سیستم میتوان در یک حلقه‌ی بسته برای خنک‌کاری یک سیستم میکروالکتریکی استفاده نمود.

سیملب سنتر
شکل3: دامنه‌ی سرعت و میدان آن، به همراه تنش وارد بر فلپ‌ها، هنگام تکان ناگهانی حاصل از سیال ورودی به سمت پایین.
سیملب سنتر
شکل4: دامنه‌ی سرعت و میدان آن، به همراه تنش وارد بر فلپ‌ها، هنگام تکان ناگهانی حاصل از سیال ورودی به سمت بالا.

کل حجم سیال جابجا شده از سمت چپ به راست در طی زمان در شکل 5 نشان داده شده است. همانطور که انتظار می‌رود، گرادیان منحنی کل حجم سیال، سینوسی متغیر، با پریودی برابر با سرعت ورودی است. گرادیان‌های ماکزیمم نیز در مضارب فرد 0.5 ثانیه رخ می‌دهد که نمایانگر زمان‌های رسیدن به ماکزیمم سرعت سینوسی ورودی است.

سیملب سنتر
شکل5: کل جریان پمپ شده از سمت چپ به راست، طی زمان.

ویدئوی شبیه‌سازی مکانیزم میکروپمپ

References

1. This model is courtesy of Matthew J. Hancock and Stuart Brown of Veryst Engineering, LLC.

Application Library path: MEMS_Module/Fluid-Structure_Interaction/
micropump_mechanism

دیدگاه بگذارید

برای درج دیدگاه، لطفا وارد شوید
  مشترک شدن  
اطلاع از