Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche
Berichte – FZKA 7172
Ein
Beitrag zu Modellierung und Simulation von elektrokinetischen
Transportprozessen
in mikrofluidischen Einheiten
Dominik Peter Johannes
Barz
Zusammenfassung
Mittels
elektrokinetischer Effekte lassen sich vielf¨altige mikrofluidische Aufgaben, wie
Pumpen und Mischen von Flüssigkeiten, oder die Analyse von Mischungen (partiell)
geladener Teilchen, realisieren. Dazu werden zunächst die entsprechenden strömungsmechanischen,
elektrischen und physikochemischen Phänomene identifiziert und mathematisch
formuliert. Um übermäßigen numerischen Aufwand zu vermeiden, werden mittels
asymptotischer Methoden Übergangsbedingungen für die Strömung und das
elektrische Potential abgeleitet. Die Verwendung der Übergangsbedingungen ersetzt
die numerische Simulation der nicht neutralen elektrischen Doppelschicht an den
Kanalwänden. Zur Berücksichtigung chemischer Reaktionen wird ein Verfahren
entwickelt, welches vom chemischen Massenwirkungsgesetz ausgeht. Um die
Anwendbarkeit der Modelle zu demonstrieren, werden Beispiele zu einer Mikro-Elektrophorese-Einheit
und zu einem Mikromischer simuliert. Zur Modellverifikation werden die
Ergebnisse der Simulation zur Mikro–Elektrophorese–Einheit mit
entsprechenden Experimenten verglichen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung
zwischen Modell und Experiment.
Contribution to the modelling and simulation of
electrokinetic transport processes in microfluidic devices
Abstract
Various tasks within microfluidic applications, like pumping
and mixing of liquids, or the analysis of mixtures (partially–) charged
species, can be realized by electrokinetic effects. For that purpose, the
appropriate fluid mechanical, electrical, and physicochemical phenomena have to
be identified and mathematically formulated. To decrease the numerical costs,
matching conditions for the flow and for the electrical potential are derived
by means of asymptotic methods. The application of the matching conditions
substitutes the numerical simulation of the non-neutral electrical double layer.
A scheme based on the law of mass action allows for the consideration of
chemical reactions. Several examples, as a micro–electrophoresis device and
a micromixer, are simulated to demonstrate the applicability of the model. The simulations
in the micro–electrophoresis device are compared against corresponding experiments.
It turns out that the agreement between simulations and verification experiments
is good.