Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7152

Experimental validation of flow and mass transport in an electrically-excited micromixer

Hamid Farangis Zadeh

Abstract
The experimental validation of the flow and mass transport within an electrically-excited micromixer is the focus or the present work. For the (local) measurement of the flow field within the micromixer we engage the micro particle image velocimetry (µPIV). For the measurement of the height-averaged concentration field we develop a micro laser-induced fluorescence (µLIF) technique.

The experiments reveal for pure pressure-driven flow, particularly at larger Reynolds numbers, secondary motion within the meander in form of so-called Dean vortices, which significantly affect mass transport. If, additionally, electroosmotic forces act on the flow, we can even in straight channel cross sections resolve complex velocity profiles, which are dominated by electroosmosis close to walls and by the applied pressure difference in the channel centre. Hence, even flow at walls against the pressure-driven main flow can be observed. Particularly within bends a complex flow structure is found, which has successfully been characterized by a number of vortex and saddle lines. A characterization of the overall mixer performance is, finally, obtained from the measured concentration fields, which allow at both the inlet and outlet cross sections to infer the so-called mixing quality. This measure indicates a substantial improvement of mixing due to the electrical excitation.

Experimentelle Validierung der Str¨omung und des Stofftransports in einem elektrisch erregten Mikromischer

Zusammenfassung
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen Validierungsexperimente zur Strömung und zum Stofftransport in einem elektrisch erregten Mikromischer. Zur Messung des (lokalen) Geschwindigkeitsfeldes verwenden wir die sog. ”micro particle image velocimetry” (µPIV). Zur Messung des höhengemittelten Konzentrationsfeldes entwickeln wir eine Technik auf Basis der laserinduzierten Fluoreszenz (µLIF).

Die Messungen zeigen für eine rein druckgetriebene Strömung, besonders bei großen Reynolds- Zahlen, Sekundärströmungen innerhalb des Mäanders in Form sog. Dean Wirbel. Diese Wirbel beeinflussen den Stofftransport erheblich. Wenn zusätzlich elektroosmotische Kräfte auf die Strömung einwirken, so finden sich bereits in Querschnitten gerader Kanalteile Geschwindigkeitsprofile, welche durch die Elektroosmose in Wandnähe bestimmt sind, während in der Kanalmitte die angelegte Druckdifferenz bestimmend bleibt. So findet sich an Wänden sogar eine Strömung, die entgegen der druckgetriebenen mittleren Strömung gerichtet ist. In den Krümmern des Mäanders können wir eine komplexe Strömungsstruktur auflösen, welche erfolgreich durch eine Zahl von Wirbel- und Sattellinien charakterisiert werden kann. Schließlich gelingt auf Basis gemessener Konzentrationsfelder eine Charakterisierung des integralen Mischerverhaltens. Hierzu bestimmen wir am Eintritts- und Austrittsquerschnitt jeweils die sog. Mischungsqualität. Diese Größe belegt, dass eine substantielle Verbesserung der Vermischung durch die elektrische Erregung erreicht wird.

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