CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI BƠM VÀ CFD .1 Tổng quan về vi bơm .2 Phân loại vi bơm .2 Vi bơm phi cơ học .3 Tổng quan về vi bơm ECF .2 Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng của vi bơm ECF .4 Động lực nghiên cứu .5 Tổng quan về CFD và phần mềm COMSOL Multiphysics .1 Giới thiệu về CFD .2 Giới thiệu về phần mềm COMSOL Multiphysics. ĐẶC TÍNH THỦY ĐỘNG CỦA ĐIỆN CỰC SỬ DỤNG CHO VI BƠM ECF .1 Tổng quan về NACA .2 Phương pháp mô hình hóa .3 Kiểm nghiệm và đánh giá mô hình .4 Kết quả và thảo luận .1 Ảnh hưởng của hình dạng điện cực .2 Các đặc tính của NACA đặt trong dòng ECF .5 Kết luận chương 2. ĐẶC TÍNH ĐIỆN – THỦY LỰC CỦA VI BƠM ECF MỚI CHỨA ĐIỆN CỰC NACA .1 Mô hình toán học .2 Kiểm nghiệm và đánh giá mô hình .3 Kết quả và thảo luận .1 Ứng xử động lực học của vi bơm ECF .2 Tối ưu hóa các cấu hình điện cực NACA .3 Ảnh hưởng của các cấu hình NACA.4 Kết luận chương 3.
KẾT LUẬN CHUNG. 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 98 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Viết đầy đủ (tiếng Anh) Ý nghĩa viết tắt PZT Piezoelectric Áp điện AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều Ion conductive polymer ICPF Màng polymer dẫn điện ion films Ion conductive polymer Màng polymer dẫn điện kim loại ICFM metal ion SMA Shape memory alloy Hợp kim nhớ hình dạng EM Electromagnetic Điện từ EO Electroosmotic Điện thẩm EW Electrowetting Điện ướt EHD Electro–hydrodynamic Điện–thủy động MHD Magneto–hydrodynamic Nam châm–thủy động ECF Electro–conjugate fluid Liên hợp điện–thủy lực National Advisory Uỷ ban Cố vấn Hàng không Quốc NACA Committee for Aeronautics gia FEM Finite element method Phương pháp phần tử hữu hạn MEMS Micro–Electro–Mechanical Hệ thống vi cơ điện Systems LoC Lab on chip Hệ thống thí nghiệm trên chip POCT Point of care testing Kiểm tra điểm quan tâm TAS Total analysic system Hệ thống phân tích tổng hợp CFD Computation fliud dynamic Tính toán động lực học chất lỏng DOF Degrees of freedom Bậc tự do DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nguyên lý làm việc của vi bơm áp điện: (a)Chế độ hấp thụ; (b) Chế độ phân phối [16] .2 Vi bơm tĩnh điện [21] .3 Vi bơm nhiệt–khí nén [21] .4 Vi bơm điện từ [21] .5 Vi bơm lưỡng kim .6 Vi bơm màng plymer dẫn điện ion [21] .7 Vi bơm thay đổi pha .8 Vi bơm hợp kim nhớ hình dạng .9 Vi bơm điện thẩm .11 Vi bơm nam châm–thủy động .12 Vi bơm điện ướt .13 Vi bơm hiệu ứng bay hơi .14 Vi bơm điện–thủy động .15 Sơ đồ của vi bơm ECF [78] .16 Vùng chất lỏng ECF [82] .17 Sơ đồ minh họa của nguyên mẫu vi cơ [83] .18 Khái niệm vi cơ ECF [83] .19 Mô Hình thí nghiệm [84] .21 Lực tác động của các tế bào vi mô (a) đơn; (b) nối tiếp [82] .23 Hiệu suất của các loại chất nền [85] .24 Mô hình thí nghiệm con quay hồi chuyển [78] .25 Hiệu suất của nguyên mẫu tại 5kV [78] .28 Kết quả vận tốc Hình ảnh hạt (PIV) so sánh giữa: (a) thí nghiệm; (b) mô phỏng [79] .29 Mối tương quan giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế [87] .30 Mô hình thí nghiệm [88] .31 Độ cong của ngón tay ứng với các mức áp suất [88] .32 Mô hình ma trận dòng kênh ECF [89]. Kết quả thực nghiệm trong việc di chuyển đến vị trí mục tiêu tùy ý: (a) một giọt; (b) hai giọt [89].
Mô hình cánh tay 3D [90] .35 Áp suất đầu ra (không có dòng chảy) của ba thiết bị khác nhau: 10 TPSE tronh hàng; 10 TPSE trong hàng được đặt song song 3 dãy; và 10 TPSE trong hàng được đặt song song 5 dãy [91] .36 Hình ảnh quang học của chip MEMS được chế tạo với 20 TPSE [92] .37 So sánh giữa giá trị thực nghiệm và giá trị mô phỏng [92] .38 Các thành phần của bộ tạo giọt [93] .39 Mối tương quan giữa đường kính hạt và điệp áp (vi bơm 1) [93] .40 Mô hình 3D của thí nghiệm [94] .41 Các vùng làm việc của thiết bị [94] .42 Các tham số cấu trúc của TPSE [80] .43 Các ứng dụng của CFD [96] .44 Các bước trong giải bài toán CFD .45 Các mô–đun trong COMSOL [104] .46 Giao diện chính của COMSOL – nửa bên trái [104] .47 Giao diện chính của COMSOL – nửa bên phải [104].1 Hình dạng NACA 4 số .2 Các lực tác dụng lên cánh NACA .3 Trường tính toán và điều kiện biên .4 Phân bố lưới quanh airfoil .5 Biến thiên sai số tương đối của C D theo số phần tử lưới .6 Lực cản của NACA 0008 và 0012 ở số Re = 6.7 Các biên dạng điện cực (a) NACA; (b) Hình viên đạn; (c) Hình đầu chông .8 Sự biến thiên hệ số lực cản theo góc tấn với các hình dạng điện cực khác nhau và Re = 12: (a) NACA0006, (b) NACA0015, (c) NACA0021 và (d) NACA0030 .9 (a) Sự thay đổi hệ số lực cản theo góc đặt cánh của các NACA đối xứng (Re = 12, FF–1EHA2); (b) Sự thay đổi hệ số lực cản theo dải Re của các góc đặt cánh .10 Sự thay đổi hệ số lực cản theo độ dày lớn nhất t a .11 Sự thay đổi hệ số lực nâng theo Re (Re=10–2~102, FF–1 EHA2) .1 Mô hình vi bơm với điện cực NACA .2 Mô hình số và điều kiện biên .3 Mối tương quan giữa vận tốc trung bình và điện áp (s=5mm, T=313K) .4 Trường dòng chảy ở khoảng cách điện cực khác nhau (V = –10kV, Dầu 1): (a) tác giả Tran và cộng sự (2009); (b) Kết quả hiện tại .5 Hình ảnh mặt cắt ngang của bộ thí nghiệm [86] .6 Mối quan hệ giữa áp suất và lưu lượng của kết quả hiện tại và thực nghiệm của Yanada và cộng sự .7 Các cấp độ lưới sau khi sử dụng tinh chỉnh lưới .8 Sự hội tụ về lưới (Ve = 1kV, Re = 4.9 Sự phân bố vận tốc và điện tích trong vi bơm ECF với NACA0006:(a) Ve*=16, Ref =0.10 Sự phân bố vận tốc và điện tích trong vi bơm ECF với NACA0006: (a) Ve*=48, Ref =0.11 Đường đặc tính Kp–KQ với nhiều giá trị điện áp, điện cực dương là NACA0006 .12 Đường đặc tính K N–K Q với nhiều giá trị điện áp, điện cực dương là NACA0006 .13 Mối tương quan của PDC: (a) Re f và (b) Ree cho nhiều giá trị điện áp và điện cực dương NACA0006 .14 Mối tương quan của PDC: (a) Re f và (b) Ree cho nhiều giá trị điện áp và điện cực dương NACA0006 .15 Mối tương quan giữa hệ số lưu lượng cực đại và điện áp đặt vào của vi bơm ECF: (a) Lc *và (b) Ws *, NACA0024 được sử dụng .16 Mối tương quan giữa hệ số chênh áp cực đại và điện áp đặt vào của vi bơm ECF: (a) Lc * và (b) W s* .17 (a) Hệ số chênh áp cực đại và (b) Hệ số lưu lượng cực đại như hàm của điện áp đặt vào của Wn* với NACA0024 .18 Sự phân bố vận tốc và điện tích vi bơm ECF với: (a) NACA0006, (b) NACA0018 làm điện cực dương (Wn*=0.4, Ve*=32 và Ref=0.19 Sự phân bố vận tốc và điện tích vi bơm ECF với: (a) NACA0018, (b) NACA0024 làm điện cực dương (Wn*=0.4, Ve*=32 và Ref=0.20 PDC như một hàm của: (a) Ref; (b) Ree cho nhiều điện cực NACA (Ve *=48).21 PDC như một hàm của: (a) Pe; (b) Mc cho nhiều điện cực NACA (Ve *=48).22 Đường đặc tính (a) Kp–KQ và (b) KN–KQ cho nhiều giá trị NACA và nhiều giá trị điện áp (W n*= 0.23 Mô hình 3D của một bộ vi bơm ECF với điện cực NACA .24 Quy trình chế tạo MEMS của vi bơm ECF mới chứa điện cực NACA. 82 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại vi bơm [8] .2 Liệt kê các công trình nghiên cứu về vi bơm ECF .1 Giá trị của các hằng số .2 Tính chất vật lý của các loại chất lỏng [87, 106] .1 Điều kiện biên của vi bơm ECF chứa điện cực NACA. TỔNG QUAN VỀ VI BƠM VÀ CFD 1.1 Tổng quan về vi bơm Vi bơm là thiết bị có thể kiểm soát và điều khiển các thể tích chất lỏng nhỏ [1]. Bằng cách thu nhỏ kích thước, quy mô của các kênh nằm trong khoảng vài micromet, điều này tạo điều kiện thuận lợi đáng kể cho việc kiểm soát và chuyển các chất lỏng có thể tích nhỏ [2].
Việc phát triển của vi bơm chịu ảnh hưởng của vi lỏng. Đa số các hệ thống vi lỏng đều có các vi kênh hai hoặc ba chiều mà qua đó các mẫu chất lỏng được bơm (thường đồng thời và theo nhiều cơ chế khác nhau), được điều khiển và thao tác [3]. Phần lớn các hệ thống vi lỏng cần một máy bơm hoạt động khép kín có kích thước tương đương với thể tích chất lỏng được bơm. Các tính năng chính của vi bơm bao gồm độ tin cậy, kích thước, phạm vi lưu lượng của bơm, áp suất bơm, điện áp hoạt động, tiêu thụ điện năng, khả năng tương thích của quy trình với các bộ phận khác của hệ thống, tính tương thích sinh học và độ chính xác định lượng tương đương với bơm nhiên liệu.
Các vi bơm lần đầu tiên được báo cáo vào những năm 1976 [6], tuy nhiên chỉ thu hút sự quan tâm vào những năm 1980, vi bơm dựa trên hệ thống vi cơ điện tử được phát triển bởi Smits và cộng sự [7] chủ yếu để sử dụng trong hệ thống phân phối insulin được kiểm soát để duy trì mức đường huyết của bệnh nhân tiểu đường. Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) là một công nghệ quy trình được sử dụng để tạo ra các thiết bị hoặc hệ thống tích hợp cực nhỏ kết hợp các thành phần cơ và điện. Chúng được chế tạo bằng kỹ thuật xử lý hàng loạt mạch tích hợp và có thể có kích thước từ vài micromet đến milimet. Nhờ vào công bố này mà đã chứng minh tính khả thi của vi bơm và sau đó truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu khác đi tiềm hiểu sâu hơn về vi bơm.
Nói cách khác, vi bơm là một nguồn động lực hay một thiết bị đầy hứa hẹn. Có rất nhiều lĩnh vực ứng dụng của vi bơm, ví dụ những nhu cầu từ sinh học, hóa học (cụ thể như phân tích hóa học và sinh học, cảm biến sinh học và hóa học, phân phối thuốc, phân tách phân tử, khuếch đại, giải trình tự và tổng hợp để giám sát môi trường). Hệ thống vi bơm là một hệ thống mà chất lỏng chảy trong các thiết bị thu nhỏ. Nó làm cho các xét nghiệm sinh học hiệu quả hơn thông qua việc giảm lượng thuốc thử và thời gian phản ứng ngắn hơn.