Ứng dụng từ thủy động lực trong hệ thống công nghệ vi điện cơ

Nội dung text: Ứng dụng từ thủy động lực trong hệ thống công nghệ vi điện cơ

1. ỨNG DỤNG TỪ THỦY ĐỘNG LỰC TRONG HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ VI ĐIỆN CƠ Lê Hoàng Tú 1 ; Lê Chí Kiên 2 1 Học viên cao học, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh 2 Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, mô phỏng trạng thái ổn định, không nén được và dòng chảy thành lớp sẽ được tiến hành trong bơm từ thủy động lực (MHD). Nghiên cứu này tập trung vào những dự đoán về hiệu suất dòng chảy của vi bơm MHD. Bằng cách chuyển đổi các lực Lorentz được tương tác bằng dòng điện, thông lượng từ thông và áp suất trong các phương trình mômen, các phương trình chi phối có thể được chuyển đổi thành phương trình Poisson cho các giải pháp phân tích. Abstract: In the present study, simulation of steady state, incompressible and fully developed laminar flow has been conducted in a magneto hydrodynamic (MHD) pump. This study is focused on the prediction of pumping performance in MHD flow. By converting the Lorentz forces which is interacted by electric current and magnetic flux into hydrostatic pressure gradient in the moment equations, the governing equations can be transformed into Poisson equation which makes the analytic solution possible. Từ khóa: Bơm MHD, vi bơm, MEMS, bơm điện từ, lực Lorentz, vi lỏng. Vi bơm chủ yếu được phân thành hai loại: I. GIỚI THIỆU - Vi bơm cơ khí: Trong vi bơm cơ khí, có một lớp màng được sử dụng để tạo ra hoạt Trong hai thập kỷ qua, hệ thống công động bơm. Sự kích từ của màng có thể được nghệ vi điện cơ (MEMS) đã được áp dụng tạo ra bởi tĩnh điện, không khí nhiệt, làm cho các nhu cầu của ngành công nghiệp y việc nhờ khí nén, áp điện học, hoặc cơ chế sinh học dẫn đến một lĩnh vực mới đang nổi điện từ. Ưu điểm là tạo ra độ an toàn trên bộ lên gọi là kênh dẫn vi lưu. Các vi bơm là đệm hoặc dung dịch chất lỏng. một thiết bị truyền động quan trọng, là những dấu hiệu cơ bản của trình độ phát - Vi bơm không cơ khí: không có bộ phận triển của các hệ thống kênh dẫn vi lưu. chuyển động. Vi bơm không cơ khí được kích thích bởi những cơ chế khác nhau tùy MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi thuộc vào các ứng dụng được đề xuất. Ví dụ sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng được như bơm điện thủy động lực học dùng để tích hợp trên cùng một chip (on chip). Các bơm chất điện môi, bơm điện động dùng linh kiện MEMS thường được cấu tạo từ hiệu ứng bơm điện thẩm và cơ chế bơm điện silic. Một thiết bị MEMS thông thường là di cho việc chia tách phần tử. một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động II. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ với những yếu tố sinh học, hoá học, quang CẤU TRÚC CỦA VI BƠM MHD hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có 2.1 Nguyên lý dòng DC trong vi bơm thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh MHD sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia Khi dòng điện i được cấp vào một dây dẫn tốc Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc trong từ trường B , Lực Lorentz F trực giao cơ học nhỏ bé tinh tế có thể thay đổi các kích với cả hai từ trường và dòng điện, được tạo thước vật lý từ micro đến vài mm. 1
2. ra trên dây dẫn mang dòng [12], [8]. Cách 2.3 Nguyên lý hoạt động của vi bơm MHD tạo ra lực Lorentz: Mô tả cách thức nguyên lý vi bơm áp F i. B .l dụng MHD. Nam châm từ trường từ cực N Trong đó l là chiều dài của dây dẫn, được sang cực S. Mạch điện được bố trí như ở thể hiện bằng sơ đồ ở hình 1. hình 4 sau. Hình 1: Khái niệm sơ đồ lực Lorentz Hình 4: Nguyên lý vi bơm áp dụng MHD. Khi có dung dịch trong kênh, dòng sẽ xuất hiện từ trên xuống phía dưới dẫn đến vòng điện kín. Sau đó, từ trường và dòng Hình 2: Sơ đồ máy bơm MHD điện sẽ tạo ra lực Lorentz và dẫn đến dòng Nếu một từ trường bên ngoài được áp chảy chất lỏng. Dung dịch trong MHD phải vuông góc với hướng của dòng, lực Lorentz là một dung dịch dẫn điện. Nước tinh khiết được tạo ra. Vì lực này phân tán lực thể tích không có dẫn điện, vì vậy nó có thể không các chất lỏng dẫn điện (ion) trải qua sự được sử dụng để bơm MHD. Nhưng, nếu chênh lệch áp suất điều khiển chất lỏng chảy nước bao gồm vật liệu như NaCl hoặc sắt, dọc theo kênh[10]. nó sẽ là giải pháp ion và trở thành dung dịch 2.2 Nguyên lý dòng AC trong vi bơm dẫn điện tốt. MHD III. PHÂN TÍCH CƠ BẢN Ứng suất đã được làm để phát triển một 3.1 Phương pháp phân tích vi bơm AC dựa trên nguyên tắc MHD để Hệ số Reynolds trong vi kênh được giả giảm hoặc loại bỏ những vấn đề tạo ra bong định là nhỏ, các thông lượng dòng chảy bóng gây ra bởi sự điện phân của chất lỏng trong ống vi bơm MHD được coi là trạng bơm DC trong vi bơm MHD. Điều này có thái ổn định, không nén được, và điều kiện thể đạt được bằng cách cung cấp một dòng dòng chảy thành lớp phát triển hoàn chỉnh. AC với một tần số đủ cao giữa hai điện cực phải đối mặt với vi bơm [8], làm cho hai lớp tại các điện cực kim loại và các chất lỏng bơm có thể nạp và xả theo cách thức giống như một tụ điện mà không có sự điện phân , như thể hiện trong hình 3. Hình 5: Sơ đồ bản vẻ của bơm MHD Vì kích thước vô hướng của kênh theo hướng y và z là nhỏ nhiều so với dòng chảy hướng x, vận tốc dòng chảy là thành phần y, 'v' là theo hướng z 'w' giả định là không. Hình 3: Nạp và xả điện của lớp kép trên chất Ảnh hưởng của sức căng bề mặt được cho là điện phân của dòng AC nhỏ vì kênh đầy chất lỏng. Dựa trên những 2
3. giả định trên, các dòng chảy vận tốc trục u p y = -a; y = a: u = 0, v = 0, , 0 (y, z) là bất biến theo hướng x. Hơn nữa, sự y mất nhiệt trong các kênh lưu lượng được p xem là không đáng kể. z = -b; z = b: u = 0, v = 0, , 0 Bảng thông số sử dụng cho mô phỏng. z Với các phương trình quản lý (3) - (4) và Thông số Giá Trị điều kiện biên, các giải pháp phân tích có thể được dễ dàng. Kênh chiều cao, b (m) 0.007 Bắt đầu bằng phương pháp phân tách Kênh chiều rộng, a (m) 0.003~0.02 [10]: Vận tốc dòng chảy: Kênh chiều dài, L (m) 0.08 16ap2  u(y,z)= () x Am (7) Chiều dài điện cực Lp (m) 0.035  3 x Độ cảm ứng từ, B (T) 0.008 ~ 0.02 m z m y cosh( ) cos( ) A = (m 1) ) Dòng đầu vào, I (A) 0.1 ~ 1.3 m ( 1)2 [122aa ]  mb 3 m 1,3,5 cosh( ) m 2a Theo định Luật Ohom, mật độ dòng J Lưu lượng dòng chảy: được thể hiện là: ab ba3  p JEVB (.) (1) Q u(,)() y z dydz x Bm (8) 6 x Do chất lỏng làm việc có tính dẫn điện ab cao, thời hạn của V× B sẽ bị đổ ra ngoài mb bằng cách so sánh với E. 192a tanh( ) B = 2a ] m [1 55 F= J x B (2) bmm 1,3,5 3.2 Phương trình điều khiển Phương trình liên tục: Nếu tỷ lệ khía cạnh của mặt cắt ngang u 0 (sự biến đổi của vận tốc theo chiều X a được xác định. x b dọc là bỏ qua) (3) Các giải pháp (7),(8) có thể được viết lại như Phương trình momen: p 22 u  u sau: 0  ( ) 22 (4) x  y  z m 3 tanh( ) a BIL 192 QX p [12X ] (9) 6 Lm2 5 5 Trong bơm MHD, các lực Lorentz tác dụng lên các hạt chất lỏng được coi là chịu Q V (vận tốc dòng chảy trung bình) áp lực thuỷ tĩnh phân bố đều trên khu vực A kênh [3], [4],[9]. Do đó: Trong đó A là tiết diện của kênh  pp ELp (5) m x L L tanh( ) aBILp 192 X[ 1] X 2X (10) Ở đây: 24L2 55 m p : là đầu áp suất dọc theo kênh với Thay thế các điều khoản trong dấu ngoặc chiều dài L, gây ra bởi sự tương tác giữa từ vuông của giải pháp (10) là Y ( hệ số ), các trường và điện trường. Đó là: phương trình (9)-(10) như sau: = ( Jx B) L (6) p a3 BIL Y Q p () cho chiều rộng của ống là cố Điều kiện biên: 6LX2 định (11) p  BEL x=0;x=L: ,v=0, 0 , p xL 3
4. 3 Trước khi chúng ta bắt đầu để thảo luận, b BILp 2 ()XY cho chiều cao của ống là giải thích hình dạng thực sự của ống dẫn là 6L2 rất cần thiết. Nếu chiều cao lớn hơn 1mm cố định (12) (toán học) ( chỉ ra độ sâu vô hướng nhỏ hơn aBILp so với độ rộng của nó ), lúc này ống dẫn VY cho chiều rộng của ống là cố 24L2 nông sẽ được đưa ra trình bài. Ngược lại nếu định (13) không ống dẫn sâu sẽ được xem xét. Điều đó bBIL được thể hiện trong hình 7. p ()XY cho chiều cao của ống là 24L2 cố định (14) Ở đây m tanh( ) 192 YXX [12X ] (15) (3.16) 55 m 3.3 Mạch dòng Mô tả các lực cản dòng chảy trong kênh và đơn giản hóa các quy trình tính toán, Hình 7: Vận tốc dòng chảy khi chiều cao mạch tương đương trong đó tương tự như thay đổi với chiều rộng được cố định. các hệ thống nhiệt trong dẫn nhiệt sẽ được - Cả hai yếu tố phát sinh bởi dòng thấp khi xây dựng bằng cách chuyển đổi phương (chiều cao 1mm) trình. (11) đến (12) như sau: đều làm giảm các yếu tố V, độ dốc của 6LX2 đường cong khi (chiều cao là 0,1 đến 1mm) IBL Q*() cho chiều rộng của p aY3 có vẻ là lớn hơn nhiều so với bất kỳ nơi nào ống là cố định (16) khác, nó ngụ ý là ảnh hưởng của mật độ dòng là hoạt động nhiều hơn sức cản nhớt. 61L2 4.1.2 Ảnh hưởng của vận tốc khi chiều =Q*()32 cho chiều cao của b X Y rộng thay đổi với chiều cao cố định ống là cố định (17) Trong phần này, chiều rộng nhỏ hơn Mạch dòng chảy có thể được thiết lập như 1mm ngụ ý là ống dẫn hẹp. Nếu không, ống suất điện động của lực Lorentz IBLp tương dẫn rộng sẽ được xem xét. tự như hình 6 các điện áp V trong mạch điện 6LX2 và sức cản dòng () hoặc aY3 61L2 () hoạt động như các điện trở R. b32 X Y Hình 8: Vận tốc dòng chảy V khi chiều cao của ống được cố định. - Chiều rộng giảm từ 1 đến 0,1 mm. Khi đó vận tốc dòng chảy trung bình sẽ giảm đột ngột từ giá trị 0,015 xuống 0 mm/s là do sức Hình 6: Mạch dòng MHD cản của độ nhớt ảnh hưởng đến chuyển động của dòng chảy. Chiều rộng tăng từ 1 đến 4 IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG mm thì do tác dụng ma sát đã bị mất ảnh 4.1 Ảnh hưởng của vận tốc hưởng và vận tốc dòng chảy sẽ chảy trong 4.1.1 Ảnh hưởng của vận tốc khi chiều cao thay đổi với chiều rộng cố định 4
5. ống dẫn rộng với một giá trị như không đổi - Lực cản độ nhớt trong ống hẹp (chiều rộng là 0,029 mm/s. 1) mà tác dụng ma sát đã dần dần mất đi ảnh hưởng của nó đối với chuyển động dòng chảy. 4.2.3 Sức cản dòng R khi chiều rộng và chiều cao thay đổi Hình 4.5: Ảnh hưởng cả chiều rộng và chiều cao đến vận tốc dòng chảy - Ta thấy khi chiều rộng, chiều cao thay đổi thì vận tốc dòng chảy cũng tăng theo. 4.2 Sức cản dòng chảy Hình 11: Sức cản dòng R khi chiều rộng và 4.2.1 Sức cản dòng chảy khi chiều cao chiều cao thay đổi. thay đổi với chiều rộng cố định - Sức cản trở dòng sẽ tăng khi chiều cao tăng và giảm khi chiều rộng tăng và gần như là bằng 0 trong khoảng 0,01 đến 0,04 N. 4.3 Lưu lượng dòng chảy 4.3.1 Lưu lượng dòng chảy khi chiều cao thay đổi với chiều rộng cố định. Hình 9: Sức cản dòng R khi chiều rộng ống được cố định. - R có giá trị lớn sẽ tồn tại ở các kênh ống dẫn nông nơi mà lực cản độ nhớt có ảnh hưởng rất lớn trên chuyển động dòng chảy. Nhưng đối với kênh ống dẫn sâu, lực cản độ nhớt đã được giảm dần theo độ sâu của ống Hình 12: Lưu lượng dòng chảy khi thay đổi khi gia tăng, mà kết quả là điện trở R trong chiều cao với chiều rộng cố định kênh có giá trị thấp. - Lưu lượng dòng chảy suy giảm mạnh tại 4.2.2 Sức cản dòng chảy khi chiều rộng ống dẫn nông, lưu lượng dòng chảy giảm thay đổi với chiều cao cố định chậm và gần như đạt giá trị ổn định tại ống dẫn sâu khi giá trị chiều cao tăng. 4.3.2 Lưu lượng dòng chảy khi chiều rộng thay đổi với chiều cao cố định. Hình 10: Sức cản dòng R khi chiều cao ống cố định. 5
6. Hình 13: Lưu lượng dòng chảy khi thay đổi TÀI LIỆU THAM KHẢO chiều rộng với chiều cao cố định. [1] Electroosmosis and Thermal Effects in - Sự giảm đột ngột của lưu lượng trong ống Magnetohydrodynamic (MHD) Micropumps dẫn hẹp tương ứng với chiều rộng giảm từ 1 Using 3D MHD Equations by Vaibhav D. đến 0,1 mm. Lưu lượng tăng dần trong ống Patel Masters of Science in Mechanical dẫn rộng đến giá trị gần ổn định là khoảng Engineering San Diego State University, khi tăng chiều cao từ 1 đến 4 mm. 2007. 4.3.3 Lưu lượng dòng chảy khi chiều rộng [2] A MHD study of behavior in an và chiều cao thay đổi. electrolyte fluid using numerical and experimental soluutions by L. P. Aoki, M. G. Maunsell, and H. E. Schulz. [3] Investigation of thermal behavior and fluid motion in direct current magnetohydrodynamic pumps by Mehdi KIYASATFARa*, Nader POURMAHMOUDa, Maqsood GOLZANb, and Iraj MIRZAEEa. [4] Hình 4.13: Lưu lượng dòng chảy Q khi chiều rộng và chiều cao thay đổi. at-is.html - Ta thấy khi chiều rộng, chiều cao thay đổi [5] A Comprehensive Study of Micropumps thì lưu lượng dòng chảy cũng thay đổi và Technologies by Farideh Abhari ,Haslina tăng theo. Jaafar and Nurul Amziah Md Yunus*, V. KẾT LUẬN Department of Electronic and Electrical Khi thay đổi chiều rộng và chiều cao của Engineering, Faculty of Engineering, kênh ta thấy được vận tốc cũng thay đổi Universiti Putra Malaysia, UPM Serdang, theo, chảy nhanh trong ống dẫn nông và hẹp, 43400 Selangor, Malaysia, October 2012. chảy chậm trong ống dẫn sâu và rộng. [6] An AC Magnetohydrodynamic Các giá trị lưu lượng sẽ tăng nhanh trong Micropump: Towards a True Integrated trường hợp có chiều cao cố định sau đó mới Microfluidic System by Asuncion V. Lemoff tiến tới giá trị gần như ổn định, nhưng một Abraham P. Lee Robin R. Miles Charles F. xu hướng ngược lại trong trường hợp với McConaghy, 10th International Conference chiều rộng cố định thì các giá trị Q sẽ giảm on Solid-State Sensors and Actuators nhanh sau đó mới dần dần ổn định. Sendai, Japan June 7-10, 1999. Ta thấy khi chiều rộng tăng thì sức cản [7] Electroosmosis and thermal effects in dòng giảm rất nhanh tại vì sức cản dòng tỉ lệ magnetohydrodynamic (MHD) micropumps nghịch với bình phương chiều rộng, còn using 3D MHD equations by Vaibhav Patel, chiều cao tăng thì sức cản dòng tăng vì hệ số Samuel Kinde Kassegne, Received 17 sức kháng tỉ lệ tuyến tính với chiều cao của November 2005; received in revised form 28 kênh. April 2006; accepted 4 May 2006 Available Cơ sở để thực nghiệm khảo sát, so sánh online 7 July 2006. các loại kênh và so sánh với thực tiễn và [8] Development of micropump for phân tích lý thuyết từng loại kênh. Cơ sơ microfuidic applications by Dong Eun Lee khảo sát và thực nghiệm với nhiều loại dung B.S., Mechanical Eng., Yeungnam dịch. Từ đó có thể ứng dụng vi bơm MHD University, 1994 M.S. Mechanical Eng., trong việc đo lưu lượng vào trong y học: Đo Yeungnam University, 1996 May 2007. lưu lượng máu trong cơ thể, bơm các chất [9] Effect of Magnetic Flux Density and dịch hóa học vào trong cơ thể con người Applied Current on Temperature, Velocity nhằm mục đích chữa bệnh and Entropy Generation Distributions in 1 2 MHD Pumps by M. Kiyasatfar, N. 6
7. Pourmahmoud, 3M. M. Golzan, 4M. Eskandarzade1 CFD Research center, Mechanical Engineering Dept., Urmia University, West Azerbayjan, Iran, 28 January 2011. [10] Characteristic study of MHD pummp with channel in rectangular ducts by Je-Ee Ho, Journal of Marine Science and Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 315-321 (2007). [11] Thermal behavior and entropy generation rate analysis of a viscous flow in MHD micropumps, Mehdi Kiyasatfar1, Nader Pourmahmoud1, Mir Maqsood Golzan2 and Iraj Mirzaee1, Accepted February 14, 2012. [12] A study on the MHD (magnetohydrodynamic) micropump with side-walled electrodes, Sangsoo Lim and Bumkyoo Choi, Department of Mechanical Engineering, Sogang University, Seoul, 121- 742, Korea. [13] Physics and applications of microfluidics in biology by David J. Beebe, Glennys A. Mensing, and Glenn M. Walker Department of Biomedical Engineering, University of Wisconsin, Madison. [14] Portable Valve-less Peristaltic Micropump Design and Fabrication H. Yang1, T.-H. Tsai2, C.-C. Hu1, 1Institute of Precision Engineering, National Chung Hsing University, Taiwan 2Department of Mechanical Engineering, WuFeng Institute of Technology, Taiwan 11 April 2008. Ý kiến của cán bộ hướng dẫn khoa học Học viên thực hiện TS. LÊ CHÍ KIÊN LÊ HOÀNG TÚ 7
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.