اثرات گرمایشی ژول در جریان الکترواسمتیک درون ریزمجرا

در این پژوهش اثرات گرمای ژول در جریان های الکترواسمتیک درون ریزمجراهایی با مقاطع مختلف در دو حالت کلی بررسی شده است. در حالت نخست با فرض توسعه یافتگی هیدرودینامیکی و یونی این اثرات بر جریان الکترواسمتیک درون ریزمجرا هایی با مقاطع ذوزنقه ای و مثلثی مطالعه شده است. در این حالت با توجه به شکل معادلات حاکم و یکسان بودن مشخصات دینامیکی در راستای جریان سه معادله کاملاً وابسته بهم در قالب معادله پواسون به روش حجم محدود در مختصات عمومی هر مقطع حل شده است. در عین حال خواص سیال نظیر لزجت دینامیکی و رسانندگی الکتریکی تابع دما در نظر گرفته شده اند. نتایج نشان می دهد در نظر گرفتن اثرات گرمای ژول افزایش دما را در پی دارد. این افزایش دما خواص ترموفیزیکی سیال را تحت تأثیر قرار می دهد به گونه ای که لزجت به طور نمایی کاهش یافته در حالی که رسانندگی الکتریکی به طور خطی افزایش می یابد. از سوی دیگر افزایش گرمای ژول موجب ازدیاد سرعت جریان در ریزمجرا می شود، در حالی که اثر ناچیزی بر توزیع پتانسیل الکتریکی دارد. همچنین مشاهده شد که در حالت بی بعد توزیع سرعت بدون لحاظ اثرات گرمای ژول در هر دو مقطع ذوزنقه ای و مثلثی بیشینه ی یکسانی دارد. در بررسی این دو مقطع مشخص شد که اثرات گرمای ژول صرفاً در میدان های الکتریکی زیاد موجب تغییرات شدید می شود و این در حالی است که اعمال این میدان ها در حوزه های کاربردی جریان های الکترواسمتیکی غیر ممکن است. سپس در حالت دوم بدون لحاظ فرض توسعه یافتگی، این اثرات بر جریان الکترولیت درون یک ریزمجرای تخت با بار ناهمگن دیواره به صورت های افزایش خطی، کاهش خطی، سهموی و بارهای تکه ای، مورد بررسی قرار گرفته است. در این وضعیت با توجه به توسعه نیافتگی هیدرودینامیکی و یونی باید در معادلات ممنتوم اثرات توزیع محوری فشار لحاظ شوند، همچنین با توجه به عدم صادق بودن توزیع نمایی بولتزمن برای غلظت یو ن های مثبت و منفی لازم است معادلات ارنست-پلانک برای تعیین توزیع غلظت یون ها حل شوند. نتایج نشان می دهد زمانی که بارهای دیواره ها همنام و دارای توزیع پیوسته در سراسر ریزمجرا باشند هیچ گاه در جریان الکترواسمتیکی گردابه ایجاد نمی شود اما در حالات خاصی که بارهای دیواره ها به لحاظ بار یا علامت ناپیوسته و یا دارای چینش نامتقارن باشند، در میدان جریان گردابه ایجاد می گردد. همچنین مشخص شد در این حالت نیز، لحاظ اثرات گرمای ژول موجب افزایش دما درون ریزمجرا می شود. این افزایش دما با توجه به وابسته بودن معادله ارنست-پلانک به دما موجب کاهش غلظت یون های مثبت و افزایش غلظت یون های منفی در کنار دیواره ها می شود و در نتیجه توزیع چگالی بار خالص الکتریکی کاهش می یابد. این کاهش در توزیع پتانسیل الکتریکی درون لایه دوگانه الکتریکی اثر می گذارد و این در حالی است که توزیع پتانسیل الکتریکی خارجی وابسته به دما نمی باشد و مستقل است. با این تغییرات نیروی حجمی الکتریکی وارد بر سیال درون ریزمجرا افزایش می یابد و موجب می شود توزیع سرعت درون ریزمجرا افزایش یابد. با این حال، این تغییرات که ناشی از اثرات گرمای ژول می باشند در میدان های الکتریکی واقعی اثرات کمی بر میدان جریان الکترواسمتیک دارند. در نهایت مطالعه حرارتی و دینامیکی یک ریزمخلوط گر غیرفعال تخت با بار ناهمگن سطحی به عنوان نمونه ای کاربردی از این گونه جریان های توسعه نیافته مورد بررسی قرار گرفته است. مطالعات نشان داد همین گرمای ژول کم، تأثیر قابل توجهی روی پارامتر های ریزمخلوط گر دارد و باید در ارزیابی ها مورد توجه قرار گیرد. همچنین مشخص شد، با انتخاب آرایش مناسب بارهای تکه ای ناهمگن، می توان ریزمخلوط گر الکترواسمتیکی با اختلاط قابل کنترل تولید نمود. مشاهده شد که رفتار چنین ریزمخلوط گرهایی تحت تأثیر نحوه آرایش بار الکتریکی ناهمگن و شدت میدان الکتریکی اعمالی می باشد.