Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6863

Simulation der Strömung und des Stofftransports in einem Mikro-Mäanderkanal

D. P. J. Barz, P. Ehrhard

Zusammenfassung
Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Strömung und des Stofftransports in einem Mikro-Mäanderkanal. Der Antrieb basiert entweder auf Druckkräften oder auf elektroosmotischen Kräften. Dazu werden zweidimensionale, zeitabhängige Simulationen nach der Finite Elemente Methode durchgeführt. Mit Hilfe der Ergebnisse kann die Eignung der simulierten Geometrie als elektrophoretische Trenneinheit beurteilt werden. Die elektrische Grenzschicht wird asymptotisch an die numerisch behandelte Kernströmung angepasst. Der elektroosmotische Antrieb wird in vier Fällen, mittels zwei idealisierten und zwei realistischen elektrischen Feldern, variiert. Die verschiedenen Antriebe führen zu verschiedenen Geschwindigkeitsprofilen und dadurch zu verschiedenen Konzentrationsprofilen eines Probenpfropfens. Für die meisten elektroosmotischen Antriebe stellen sich komplexe Geschwindigkeitsprofile mit Rezirkulationsgebieten ein, welche die Dispersion des Probenpfropfen erhöhen. Ausgehend von den Simulationsergebnissen erscheint es sinnvoll, die Kanalgeometrie zu verbessern.

Simulation of flow and mass transport in a meander micro-channel

Abstract
The aim of this work is the investigation of the flow and mass transport in a meander microchannel caused by pressure and electroosmotic forces. Two-dimensional, time dependent Finite Element simulations were employed to obtain information about the suitability of the structure with regard to electrophoretic separation. Analytical solutions valid within the electrical double layers were asymptotically matched with the numerical solution for the bulk flow. The electroosmotic flow is realized for two idealized and two realistic electrical fields and the results are compared with the pressure-driven case. The different driving methods lead to different velocity profiles and thus to different concentration profiles of a sample plug. We find, that for the most of the electroosmotically-driven cases complex flow fields with recirculation regions are present. These recirculation regions increase dispersion of the sample plug. According to the simulation results, we conclude that an improvement of the channel geometry for this electroosmotically-driven device is needed.

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