مطالعه عددی جریان سیال در میکروپمپ های دیناموهیدرومغناطیسی

جریان دیناموهیدرومغناطیسی (ام اچ دی) یک جریان از سیال هادی الکتریکی با عاملیت حرکت ناشی از تداخل میدان های الکتریکی و مغناطیسی است. نیروی محرک در جریان های ام اچ دی، نیروی لورنتز است که به واسطه ی بکارگیری دو میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم بوجود می آید. در دهه ی اخیر، جریان ام اچ دی حوزه ی میکروسیالی را در بر گرفته است و تحقیقات در این زمینه رشد فزاینده ای دارد. در واقع نیروی الکتریکی در اینجا، به عنوان عامل اصلی حرکت سیال می تواند در دسته وسیعی از میکروپمپ ها بکار رود. با استفاده از اصول حاکم بر جریان ام اچ دی، هم زمان با پمپاژ سیال، می توان به شکل های مختلف، از این جریان به عنوان هم زن (میکسر) برای اختلاط دو سیال نیز استفاده نمود. نتایج پژوهش حاضر پس از فصول اول و دوم، در دو فصل اصلی ارائه می شود. فصل سوم در دو بخش جدا از هم به تحلیل دوبعدی جریان های ام اچ دی به ترتیب در میکروپمپ ها و میکرومیکسرها می پردازد. حال آنکه فصل چهارم به تحلیل سه بعدی جریان های ام اچ دی فقط در میکروپمپ ها و کاربرد آنها در شبکه های میکروسیالی می پردازد. در میکروپمپ های دوبعدی مورد نظر در بخش اول فصل3، اثرات حرارتی و دینامیکی جریان مطالعه شده است. به عبارت روشن تر در رابطه با تحلیل حرارتی، اثر گرمایش ژول روی توزیع دمای سیال و در رابطه با تحلیل دینامیکی، توزیع پارامترهایی نظیر سرعت و فشار در جریان ام اچ دی بین دو صفحه موازی به روش حجم محدود با استفاده از الگوریتم سیمپل شبیه سازی شده است. این در حالی است که در میکرومیکسرهای ام اچ دی (بخش دوم فصل3)، ضمن معرفی یک طرح جدید و شبیه سازی جریان سیال در آن، راندمان فرآیند اختلاط مطالعه شده است. نتایج شبیه سازی جریان ها در بخش اول فصل3 برای میکروپمپ های ام اچ دی نشان داد که این جریان ها تا حدود بسیار زیادی کاملاً توسعه یافته اند و همین امر باعث شد تا روش های حل دوبعدی جدیدی برای جریان های سه بعدی (فصل4) معرفی شود. به عبارت دیگر از آنجا که در این میکروپمپ ها نیروی حجمی لورنتز می تواند با تقریب خوبی در سطح مقطع کانال، یکنواخت تلقی شود، حتی اگر این نیرو فقط بر بخش معینی از طول کانال اعمال شود یا غیر یکنواخت محوری باشد، پروفیل های سرعت ـ مشابه یک جریان فشار محرک ـ همه جا سهمی گون و یکسان هستند. لذا بعنوان روشی جدید می-توان نیروی محرک حجمی را ابتدا به طور موقتی حذف کرده و به جای آن از یک گرادیان فشار خطی معادل یا یک نیروی حجمی یکنواخت در سراسر کانال استفاده نمود. در این صورت، اگرچه توزیع فشار غیرخطی (واقعی) با یک توزیع فشار خطی معادل، جایگزین می شود اما پروفیل سرعت حاصله تغییری نخواهد کرد. مزیت چنین کاری این است که حل سه بعدی معادلات را می توان به یک حل دو بعدی (با معادله ی پواسون) برای مقطع عرضی کانال تبدیل نمود. لذا در این پژوهش، با حل معادله ی پواسون مورد نظر، به روش حجم محدود، اثر پارامترهای مختلف نظیر چگالی شار مغناطیسی، جریان الکتریکی و ابعاد هندسه ی مقطع کانال بر سرعت جریان سیال مطالعه شده است. در رابطه با مسائل فیزیکی شبیه سازی شده در این پژوهش، می توان بطور خلاصه به نتایج زیر اشاره نمود؛ حل دو بعدی معادله ی انرژی نشان داد که در جریان ام اچ دی بین دو صفحه ی موازی با عرض و طول 1 و 10 میلی متر و به ازای چگالی شار مغناطیسی 20 میلی تسلا و اختلاف ولتاژ 20 ولت، افزایش دمایی برابر 28 درجه سلسیوس حاصل می گردد. این افزایش دما، یکی از معایب بزرگ میکروپمپ های ام اچ دی می باشد. راندمان بدست آمده برای طرح جدید میکرومیکسر معرفی شده، نشان داد که در این میکرومیکسر ها با اعمال اختلاف ولتاژ مناسب، اختلاط کامل در طول نسبتاً کوتاهی قابل حصول است. در نهایت، مطالعه ی سه بعدی اثر ابعاد مقطع کانال روی میزان سرعت نشان داد که در صورت ثابت ماندن مقادیر جریان الکتریکی، چگالی شار مغناطیسی، خواص دینامیکی و مغناطیسی سیال، سرعت جریان در این میکروپمپ ها، در نسبت منظری واحد، حداکثر مقدار خود را دارد.