ساخت تراشه میکروفلوئیدیکی برای مشاهده رفتار آهسته سیال- جلسه دوم
زمینه: میان رشته ای
نوع پروژه: عملی - متوسط
مولف: الهام آجورلو
جلسه اول
تئوری جریان آهسته و معرفی عدد رینولدز
اهداف جلسه
در این جلسه می خواهیم به طور کامل با مفهوم جریان آهسته آشنا شویم و یک عدد بی بعد به نام عدد رینولدز را که با جریان آهسته ارتباط دارد معرفی کنیم.
وسایل مورد نیاز
حداقل وسایل مورد نیاز برای این جلسه کامپیوتر و اینترنت است.
هزینه
بسیار کم
در ابتدا باید با برخی مفاهیم کلی آشنا شویم.
مکانیک سیالات
مکانیک کلاسیک یکی از قدیمی ترین و آشناترین شاخه‌های فیزیک است. این شاخه با اجسام در حال سکون و حرکت، تحت تأثیر نیروهای داخلی و خارجی سرو کار دارد. قوانین مکانیک به تمام گستره اجسام، اعم از میکروسکوپی از قبیل الکترونها در اتمها و سیارات در فضا یا حتی به کهکشان‌ها در بخش‌های دور دست جهان اعمال می‌شود. یکی از شاخه های مکانیک کلاسیک، مکانیک محیط‌های پیوسته است که به مطالعه ی رفتار جامدات، و سیالات می‌پردازد.
مکانیک سیالات هم با همان اصول مربوط به مکانیک جامدات آغاز می‌شود، ولی آن‌چه که سرانجام آن دو را از هم متمایز می‌سازد، این است که سیالات بر خلاف جامدات قادر به تحمل تنش برشی نیستند.
تنش برشی
به مقدار نیروی داخلی وارد بر واحد سطح تنش گفته می‌شود. پس تنش برشی عبارت است از مؤلفه‌ای از تنش که بر سطح مقطع یک جسم اعمال می‌شود. در صورتی که تنش برشی به یک جسم جامد وارد شود آن را تحمل می کند ولی سیالات این گونه نیستند.
به واسطه اهمیت تنش برشی در سیالات، مولفه ی دیگری را تعریف می کنیم به نام گرانروی.
گرانروی
گِرانرَوی یا ویسکوزیته عبارت است از مقاومت یک مایع در برابر اعمال تنش برشی. در یک سیال جاری (در حال حرکت)، که لایه‌های مختلف آن نسبت به یکدیگر جابجا می‌شوند، به مقدار مقاومت لایه‌های سیال در برابر لغزش روی هم گرانروی سیال می‌گویند. هرچه گرانروی مایعی بیشتر باشد، برای ایجاد تغییر شکل یکسان، به تنش برشی بیشتری نیاز است. به‌عنوان مثال گرانروی عسل از گرانروی شیر بسیار بیشتر است. با افزایش دما گرانروی شاره‌های مایع کاهش می یابد.
ویسکوزیته دینامیکی
ویسکوزیته دینامیکی خاصیتی از سیال است که در برابر جریان های برشی ایجاد مقاومت میکند این جریانها در جایی به وجود می آیند که لایه های سیال دارای سرعت های مختلفی باشند.
لَختی یا اینرسی خاصیتی از یک جسم است که در برابر تغییر سرعت یا جهت حرکت جسم مقاومت میکند) تمایل اجسام به حفظ حالت قبلی(. هر چه جرم یک جسم بیشتر باشد لختی‌اش بیشتر است. به قانون اول نیوتون قانون لختی نیز گفته می‌شود. قانون اول نیوتن می‌گوید هرگاه شی با سرعت ثابت در حال حرکت باشد مادامی که نیروی خارجی به آن وارد نشود به حرکت خود ادامه خواهد داد. در برابر اینرسی، و یا نیروی ذاتی ماده، قدرت مقاومتی است که با آن هر جرمی، به همان اندازه که آن توان در آن نهفته است، برای حفظ وضعیت کنونی خود تلاش دارد، چه این حالت، وضعیت سکون، و یا حالت حرکت یکنواخت رو به جلو در یک خط مستقیم گفته می شود.
جریان آهسته(آرام)
در مکانیک سیالات جریان آهسته یا جریان خطی زمانی رخ می دهد که سیال در لایه های موازی، بدون هیچ انقطاعی بین لایه ها جریان یابد. در سرعت های پایین، سیال تمایل به جاری شدن بدون اختلاط جانبی دارد و لایه های جانبی روی هم سر می خورند. هیچ جریان عمودی متقابلی و پیچش یا چرخشی در جهت جریان وجود ندارد. در جریان آهسته، حرکت ذرات سیال بسیار منظم با تمام ذرات در حال حرکت در خط مستقیم موازی با دیوار لوله است. وقتی سیال از طریق یک کانال بسته مانند لوله و یا بین دو صفحه تخت جریان یابد، بسته به سرعت سیال، یکی از دو نوع جریان باید رخ دهد: جریان آرام یا جریان آشفته. جریان آهسته تمایل دارد در سرعت های پایین تر رخ دهد یعنی زیر یک آستانه ای که در آن جریان آشفته می شود. جریان متلاطم یک رژیم جریان کم نظم است که به وسیله ی گرداب ها یا بسته های کوچک ذرات سیال که منجر به مخلوط جانبی می شوند مشخص می شوند. در توصیف غیر علمی، جریان آرام صاف است در حالی که جریان آشفته خشن است.
عدد رینولدز
در مکانیک سیالات، عدد رینولدز یک مقدار بدون بعد است که برای کمک به پیش بینی الگوهای جریان مشابه در موقعیت های مختلف جریان سیال مورد استفاده قرار می گیرد. عدد رینولدز بیان کننده نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای ویسکوزیته است و در نتیجه این کمیت اهمیت نسبی این دو نوع نیرو را برای شرایط جریان داده شده به ما می دهد.
عدد رینولدز اغلب برای تعیین تشابه دینامیکی بین دو حالت مختلف جریان سیال استفاده می شود. آنها همچنین برای توصیف رژیم های مختلف جریان در یک سیال مانند جریان آرام یا جریان آشفته استفاده می شوند.
جریان آرام در اعداد رینولدز پایین (با توجه به مقیاس کوچک طول و یا سرعت کم سیال)، جایی که نیروهای ویسکوزیته غالب هستند رخ می دهد، و توسط حرکت صاف و ثابت مایع مشخص شده می شود؛ جریان آشفته در اعداد رینولدز بالا رخ می دهد جایی که نیروهای اینرسی غالب هستند، که تمایل به تولید پیچش آشوبناک، گرداب ها و دیگر ناپایداریهای جریان دارند. اما در عمل، مطابقت با عدد رینولدز به خودی خود برای تضمین نوع جریان کافی نیست. جریان سیالات به طور کلی آشوبناک است، و تغییرات بسیار کوچک در شکل دادن و زبری سطح می تواند در جریان بسیار متفاوت باشد. با این وجود، اعداد رینولدز یک راهنمای بسیار مهم هستند و به طور گسترده ای استفاده می شوند.
فرمولی که در سطر زیر مشاهده می کنید فرمول عدد رینولدز می باشد:
که در آن
ρ چگالی سیال،
U نرخ حجمی جریان وارد شده به لوله
µ ویسکوزیته دینامیکی سیال
Dh طول مشخصه سیستم و
A مساحت سطح مقطع لوله است.
زمانی که عدد رینولدز کوچک است، نیروهای ویسکوزیته تمایل به تسلط بر نیروهای اینرسی را دارند که منجر به جریان خطی می شود (جریان آرام).
عدد رینولدز پایین(>2300) = جریان آهسته
عدد رینولدز بالا(<2300) = جریان آشفته
در اغلب موارد، عدد رینولدز در میکروسیستم ها مقداری کوچک است و می توان جریان را در اکثر دستگاه های میکروفلوئیدیکی جریان آهسته فرض کرد.
حال بیاید عدد رینولدز برای آب جاری در یک لوله دایره ای و آب جاری در یک کانال میکروفلوئیدیکی را بررسی کنیم.
لوله استوانه ای(قطر لوله= 10 سانتی متر)
U=0.01 m3/s
Dh=0.1 m
ρ=1000 kg/m3
µ=0.0009 kg/ms
A=0.01m2
.............=Re
کانال میکروفلوئیدیکی (قطر کانال = 500 میکرومتر)
U=0.000000001 m3/s
D_h=0.022 m
ρ=1000 kg/m3
µ=0.0009 kg/ms
A=0.0000001m2
.............=Re
نتایج را باهم مقایسه کنید. کدام جریان آهسته و کدام یک آشفته است؟
با مقایسه نتایج می بینیم که تفاوت در ابعاد موجب تغییر عدد رینولدز شده است. این ویژگی در کانال های میکرونی موجب به وجود آمدن خواص منحصری می شود.
شما نیز می توانید با جستجو کردن و یافتن ویژگی های هر سیال و اندازه گیری ابعاد کانال عدد رینولدز را بیابید.
بخش پروژه های دانش آموزی سایت تبیان، تنظیم: نسرین صادقی
