Моделирование нового типа микромиксера с использованием ионоселективной микрогранулы
Автор: Георгий Сергеевич Ганченко
Соавторы: Г.С. Ганченко, Н.Ю. Ганченко, В.С. Шелистов, Н.В. Никитин
Организация: Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации
В последнее время наблюдается активное развитие исследований в области медицинской и химической диагностики в микропробах. Подобного рода анализы производят в микролабораториях на чипе, в которых с помощью систем микро-наноканалов происходит транспорт, смешивание и анализ рабочих жидкостей. Ввиду малых масштабов, управление жидкостью в таких лабораториях является сложной задачей, имеющей целый ряд фундаментальных проблем. Одной из таких проблем является задача смешивания двух жидкостей. В микроканалах даже смешивающиеся жидкости могут достаточно долго протекать в расслоенном виде, а конвективное перемешивание незначительно, в силу малых чисел Рейнольдса.
В данном докладе будут представлены результаты математического моделирования оригинальной конструкции микромиксера, который геометрически представляет собой сферическую микрокамеру с двумя отверстиями для входа и выхода жидкости. В середине камеры располагается ионоселективная микрогранула, закрепленная в середине камеры на оси входного и выходного отверстий. В качестве рабочей жидкости рассматривается бинарный электролит. На входе подается расслоенный электролит с различной концентрацией соли во внутренней и внешней части входного отверстия. Жидкость в движение приводится как за счёт внешнего градиента давления, так и за счёт внешнего перепада электрических потенциалов.
Перемешивание в камере происходит за счёт внешнего электрического поля и особых свойств ионоселективной микрогранулы [1,2]. Как показывают исследования, около такой частицы возникает большая зона пространственного заряда, которая приводит к возникновению различного рода неустойчивостей и образованию вихревого движения электролита, вплоть до стохастических режимов при достаточно большой напряженности внешнего электрического поля [2,3].
Поведение в условиях описанной выше конфигурации моделировалось в осесимметричной постановке относительно оси входного и выходного отверстий с помощью численного алгоритма решения системы Нернста-Планка-Пуассона-Стокса.
1. Frants E.A., Ganchenko G.S., Shelistov V.S., Amiroudine S., Demekhin E.A. Nonequilibrium electrophoresis of an ion- selective microgranule for weak and moderate external electric fields // Physics of Fluids. 2018. Vol. 30, No 2. P. 022001.
2. Ganchenko G., Frants E., Shelistov V., Nikitin N., Amiroudine S., Demekhin E. Extreme nonequilibrium electrophoresis of an ion-selective microgranule // Phys. Rev. Fluids, 2019. Vol. 4, No 4. P. 043703.
3. Ganchenko G.S., Frants E.A., Amiroudine S., Demekhin E.A. Instabilities, Bifurcations and Transition to Chaos in Electrophoresis of Charge-Selective Microparticle // Physics of Fluids. 2020 (принято в печать)
