 |
حمل و نقل در یک شیر الکتروکینتیکی
معرفی
این آموزش نمونه ای از جریان تحت فشار و الکتروفورز در یک سیستم میکروکانال را ارائه می دهد.
محققان اغلب از دستگاهی شبیه به نمونه این مثال به عنوان انژکتور نمونه الکتروکینتیک در بیوچیپ ها استفاده می کنند تا حجم نمونه به خوبی تعریف شده از اسیدها و نمک های تفکیک شده و انتقال این حجم ها را به دست آورند. این مدل مطالعه ای از یک شیر متقاطع تزریق گیره در طول مراحل تمرکز، تزریق و جداسازی ارائه می دهد. الهام برای مدل از مطالعه ارماکوف و دیگران می آید ( مراجعه 1). فوکوس از طریق جریان تحت فشار نمونه و محلول بافر به دست می آید که نمونه را در کانال فوکوس محدود می کند. هنگامی که سیستم به حالت پایدار می رسد، جریان تحت فشار خاموش می شود و یک میدان الکتریکی در طول کانال ها اعمال می شود. این میدان یون‌های نمونه تفکیک شده در ناحیه فوکوس را در زوایای قائم به کانال فوکوس و از طریق کانال تزریق هدایت می‌کند. جداسازی تمیز یون‌های نمونه مهم است، بنابراین این مدل تأثیر بر جداسازی یون پیکربندی‌های مختلف میدان الکتریکی را بررسی می‌کند.
این مورد خاص، الکترواسموز را در نظر نمی گیرد زیرا سطوح کانال تحت عملیاتی قرار می گیرند که گسترش لایه دوگانه الکتریکی را به حداقل می رساند.
توجه: این مدل به ماژول CFD، ماژول Microfluidics یا ماژول جریان زیرسطحی نیاز دارد.
تعریف مدل
شکل 1 یک مقطع 2 بعدی از هندسه را در صفحه xz نشان می دهد و به کانال ها و مرزهای مختلف اشاره می کند. کانال افقی به عنوان کانال تمرکز عمل می کند، در حالی که کانال عمودی کانال تزریق است. مدل واقعی به صورت سه بعدی با لوله های مستطیلی است که گوشه های آن گرد است. برای ابعاد هندسی به جدول 1 زیر مراجعه کنید.
کانال افقی | کانال عمودی | منطقه عبور | |
ابعاد ( μm ) | |||
– ایکس | 340 | 20 | 28 |
– y | 20 | 20 | 20 |
– z | 20 | 340 | 28 |
موقعیت ( μm ) | |||
– ایکس | -100 | 0 | -4 |
– y | 0 | 0 | 0 |
– z | 0 | -200 | -4 |
گرد کردن ( μm ) | |||
– شعاع | 4 | 4 | 4 |
– جهت | که در | که در | بیرون |
شکل 1: مرحله فوکوس شامل جریان تحت فشار نمونه و محلول بافر است. دستگاه یک میدان الکتریکی را بر روی کانال فوکوس اعمال می کند.
عملکرد دستگاه و از این رو روش مدل سازی در دو مرحله انجام می شود: تمرکز و تزریق.
در مرحله فوکوس، دستگاه یک محلول بافر را از طریق همرفت تحت فشار به کانال های عمودی از بالا و پایین تزریق می کند. در همان زمان، محلول نمونه را از طریق کانال فوکوس افقی وارد می کند ( شکل 1 را ببینید ). محلول بافر اسیدهای موجود در نمونه را خنثی می کند، به جز ناحیه بسیار نازکی که محدود به تقاطع بین کانال های افقی و عمودی است. این به این معنی است که یون های تفکیک شده فقط در یک ناحیه سوزنی شکل در ناحیه تمرکز قرار دارند.
سپس، در مرحله تزریق، دستگاه جریان همرفتی را خاموش می کند و سپس یک میدان عمودی برای انتقال نمونه از کانال فوکوس به نقطه تزریق در انتهای پایین کانال عمودی اعمال می کند. یون های نمونه دارای بار منفی هستند و در جهت مخالف میدان الکتریکی مهاجرت می کنند. این مدل دو پیکربندی مختلف را برای میدان الکتریکی کاربردی مورد مطالعه قرار می‌دهد ( جدول 2 را ببینید). در پیکربندی اول (مرحله تزریق، حالت A) میدان الکتریکی فقط در جهت عمودی اعمال می شود. در پیکربندی دوم (مرحله تزریق، حالت B) میدان الکتریکی در هر دو جهت افقی و عمودی اعمال می شود ( شکل 2 ). میدان افقی نمونه را در قسمت اولیه مرحله تزریق متمرکز می کند تا به خوبی از هم جدا شود. نمونه.
شکل 2: در مرحله تزریق، دستگاه جریان همرفتی را خاموش می کند و میدان الکتریکی اعمال می کند. میدان افقی از پهن شدن نمونه جلوگیری می کند، در حالی که میدان عمودی نمونه را در کانال عمودی در جهت مخالف میدان الکتریکی تزریق می کند.
ورودی | مرحله تمرکز | مرحله تزریق، حالت A | مرحله تزریق، حالت B |
ورودی نمونه | پتانسیل الکتریکی، V = -1V | عایق برق | پتانسیل الکتریکی، V = -1V |
پریز | زمین | عایق برق | زمین |
ورودی بافر بالایی | عایق برق | پتانسیل الکتریکی، V = -3.2V | پتانسیل الکتریکی، V = -3.2V |
ورودی بافر پایین | عایق برق | زمین | زمین |
مدل فرض می کند که غلظت نمونه باردار در مقایسه با سایر یون های حل شده در محلول بسیار کم است. این نشان می‌دهد که غلظت نمونه بر رسانایی محلول تأثیر نمی‌گذارد و می‌توانید از شیب غلظت گونه‌های حامل بار که در غلظت‌های بسیار بالاتر از یون‌های نمونه وجود دارند، غافل شوید. چنین الکترولیتی به عنوان الکترولیت پشتیبان شناخته می شود.
چندین معادله مدل را توصیف می کنند: معادلات جریان استوکس، معادله تعادل جریان، و تعادل جرم با استفاده از معادله نرنست-پلانک. این مدل از محلول حالت پایدار برای مرحله فوکوس به عنوان شرط اولیه برای مراحل تزریق استفاده می کند.
حال فرمول معادلات مدل را در نظر بگیرید.
مرحله تمرکز
معادلات جریان استوکس به جرم جهانی تعادل حرکتی در مرحله تمرکز می دهد:
در این معادلات، h نشان دهنده ویسکوزیته دینامیکی است (واحد SI: kg/(m·s))، u سرعت (واحد SI: m/s)، p فشار (واحد SI: Pa) است.
تعادل کل بارهای یک الکترولیت پشتیبان از واگرایی بردار چگالی جریان حاصل می شود که در یک الکترولیت پشتیبان با قانون اهم به دست می آید:
در اینجا κ رسانایی الکترولیت است (واحد SI: S/m) و V پتانسیل است (واحد SI: V). سپس تعادل جریان در حالت پایدار تبدیل می شود
که می دهد
بردار شار برای یون های نمونه از معادله نرنست-پلانک می آید
که منجر به معادله تعادل جرم زیر در حالت پایدار برای گونه i می شود :
در اینجا c i غلظت است (واحد SI: mol/m 3 )، D i نشان دهنده نفوذ (واحد SI: m 2 / s)، z i برابر با عدد بار (که برای این مدل برابر است با 1)، u m i است تحرک (واحد SI: s·mol/kg)، و F ثابت فارادی است (واحد SI: C/mol).
برای جریان تحت فشار، فرض کنید که جریان در همه ورودی‌ها کاملاً حالت آرام دارد، همه طرف‌ها شرایط لغزش ندارند و سیال آزادانه از انتهای کانال فوکوس خارج می‌شود.
شرایط مرزی برای تعادل شارژ، پتانسیل را در مرز ورودی و خروجی مربوطه تعیین می کند
جایی که i نمایه هر مرز را نشان می دهد. این مدل همچنین فرض می کند که تمام مرزهای دیوار عایق هستند:
شرایط مرزی برای تعادل جرم نمونه در مرحله فوکوس در زیر ظاهر می شود. معادله
غلظت را در ورودی نمونه نشان می دهد، در حالی که معادله
غلظت بافر را در هر دو مرز کانال عمودی نشان می دهد. در مرز خروجی، همرفت و مهاجرت مکانیسم‌های انتقال غالب هستند (یعنی انتشار ناچیز است)، به طوری که
مرحله تزریق
در مراحل تزریق و جداسازی، دستگاه جریان را خاموش می کند و پیکربندی میدان الکتریکی را تغییر می دهد. شما دوباره معادلات تعادل بار را حل می کنید اما با شرایط مرزی جدید:
تعادل جرم برای گونه های رقیق از یک موازنه جرم وابسته به زمان حاصل می شود:
مدل فرض می کند که سهم همرفتی صفر است.
شرایط مرزی معادله تعادل جریان نشان می دهد که پتانسیل در تمام مرزها به جز دیوارها قفل است.
علاوه بر این فرض کنید که دیوارها عایق الکتریکی هستند، که تسلیم می شود
بر خلاف حالت تمرکز، شرایط مرزی برای تعادل جرم تغییر می کند. در مرحله تزریق، غلظت را در مرز ورودی تنظیم کنید:
برای همه مرزهای دیگر، فرض کنید که مهاجرت مکانیسم حمل و نقل غالب است، به طوری که:
راه حل وابسته به زمان به یک شرط اولیه برای موازنه جرم نیاز دارد که از محلول حالت پایدار مرحله تمرکز به دست می آورید:
نتایج و بحث
این مثال مرحله تمرکز و دو پیکربندی برای مراحل تزریق را تجزیه و تحلیل می کند. به یاد بیاورید که اولین پیکربندی مرحله تزریق (حالت A) میدان الکتریکی را فقط روی کانال تزریق اعمال می کند در حالی که مرزهای ورودی و خروجی کانال فوکوس عایق هستند. پیکربندی مرحله تزریق دوم (حالت B) میدان الکتریکی را در هر دو کانال اعمال می کند.
شکل 3 توزیع غلظت حالت پایدار را در مرحله تمرکز همراه با توزیع در ابتدای مرحله تزریق نشان می دهد. توجه داشته باشید که جریان‌های عمودی از کانال‌های تزریق بالا و پایین، تمرکز را بر روی یک منطقه بسیار باریک در نزدیکی منطقه عبور کانال‌ها متمرکز می‌کنند. با این حال، دورتر از منطقه عبور، غلظت دوباره به طور مساوی در کانال پخش می شود.
شکل 3: توزیع غلظت حالت پایدار در مرحله تمرکز و قبل از مرحله تزریق.
شکل 4 و شکل 5 توزیع غلظت را برای دو پیکربندی در دو زمان، به ویژه 0.06 ثانیه و 0.12 ثانیه پس از شروع مرحله تزریق، مقایسه می‌کنند. شکل های سمت چپ نشان می دهد که برای حالت A، مرز غلظت عملاً در جهت افقی ثابت است. در نتیجه، میدان الکتریکی عمودی می‌تواند به طور پیوسته یون‌ها را از کانال فوکوس بکشد، که منجر به جداسازی ضعیف و حجم نمونه بد تعریف شده از ماده می‌شود. برای حالت B وضعیت بسیار متفاوت است. میدان الکتریکی افقی مرز غلظت را به سمت چپ می کشد و کانال ها به سرعت از هم جدا می شوند. در نتیجه، این طرح حجم نمونه به خوبی تعریف شده از ماده را به کانال تزریق می کشد.
شکل 4: توزیع غلظت در زمان 0.06 ثانیه پس از شروع مرحله تزریق برای پیکربندی حالت A (سمت چپ) و حالت B (راست).
شکل 5: توزیع غلظت در زمان 0.12 ثانیه پس از شروع مرحله تزریق برای پیکربندی حالت A (سمت چپ) و حالت B (راست).
همچنین اگر به غلظت در امتداد یک خط از وسط کانال تزریق نگاه کنید و چندین بار پس از شروع مرحله تزریق آن را بررسی کنید، می توانید تفاوت بین دو پیکربندی را مشاهده کنید (شکل 6 ) . حداکثر غلظت با گذشت زمان در کانال تزریق حرکت می کند. پیک‌ها در محور بالایی مربوط به حالت A بالاتر هستند، اما بسیار گسترده‌تر از حالت B هستند. مقدار قابل توجهی از غلظت در سمت چپ قله ظاهر می‌شود و نمونه به ناحیه فوکوس متصل می‌ماند – و در نتیجه یک ناخواسته ایجاد می‌شود. اعوجاج بسته نمونه از سوی دیگر، قله‌های باریک حالت B، منحنی‌های زنگ خوبی را در سراسر انتقال رو به پایین در کانال تزریق تشکیل می‌دهند که در نتیجه یک بسته نمونه کاملاً مشخص ایجاد می‌شود.
شکل 6: نمایه غلظت حالت A (بالا) و حالت B (پایین) در امتداد کانال تزریق در مراحل مختلف زمانی: 0 ثانیه، 0.06 ثانیه، 0.12 ثانیه، 0.18 ثانیه، 0.24 ثانیه، 0.30 ثانیه، 0.36 ثانیه، 0.42 ثانیه، 0.48 ثانیه، 0.54 ثانیه و 0.6 ثانیه پس از شروع مرحله تزریق. مبدا محور x خط مرکزی کانال فوکوس را مشخص می کند.
این مطالعه نشان می‌دهد که مدلسازی در بررسی انتقال الکتروفورتیک بسیار ارزشمند است. شما می توانید پیکربندی پتانسیل را تغییر دهید تا فوکوس و مراحل تزریق بهتر را برای شیر مورد مطالعه به دست آورید.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
رابط ها
در COMSOL Multiphysics شما مدل را با رابط های فیزیک زیر تعریف می کنید:
• | رابط جریان خزنده جریان سیال را در کانال های تحت کنترل معادلات استوکس حل می کند. |
• | رابط جریان های الکتریکی معادله تعادل جریان را حل می کند. |
• | رابط حمل و نقل گونه های رقیق معادله نرنست-پلانک را حل می کند. |
محاسبه راه حل
عملکرد دستگاه واقعی در دو مرحله مرحله فوکوس و مرحله تزریق انجام می شود. این مدل دو تنظیم مرحله تزریق را شبیه سازی می کند بنابراین در مجموع در سه فاز کار می کند.
فاز اول تنظیمات دامنه و شرایط مرزی فاز تمرکز را تعریف می کند. سپس مدل واسط ها را به صورت متوالی با یک حل کننده غیرخطی به ترتیب زیر حل می کند:
1 | رابط جریان خزنده |
2 | رابط جریان های الکتریکی |
3 | رابط حمل و نقل گونه های رقیق شده |
هر مرحله از راه حل قبلی استفاده می کند. مدل آخرین راه حل را برای استفاده به عنوان مقدار اولیه برای مدل سازی بعدی ذخیره می کند.
در مرحله دوم، تنظیمات دامنه و شرایط مرزی را برای کنترل مرحله تزریق حالت A تغییر می‌دهید. در یک دستگاه واقعی، جریان همرفتی را خاموش می‌کنید. در مدل شما این را با صفر کردن پارامترهای سرعت رابط جریان الکتروکینیتیک شبیه سازی می کنید. بنابراین از هیچ اطلاعاتی از رابط جریان لایه ای استفاده نمی کند.
حل فاز دوم از محلول ذخیره شده فاز اول شروع می شود و مدل رابط جریان های الکتریکی را با یک حل کننده غیرخطی حل می کند. سپس یک حل کننده وابسته به زمان را انتخاب کرده و رابط Transport of Diluted Species را حل می کنید. این راه حل نتیجه مرحله تزریق حالت A است.
در مرحله سوم، دوباره تنظیمات دامنه و شرایط مرزی را تغییر می دهید، اما این بار برای مرحله تزریق، حالت B. سپس راه حل نهایی را مانند مرحله دوم حل می کنید.
ارجاع
1. SV Ermakov, SC Jacobson, and JM Ramsey, Technical Proc 1999 Int. Conf. در مورد مدلسازی و شبیه سازی میکروسیستم ها ، انتشارات محاسباتی، 1999.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_مهندسی_واکنش_شیمیایی/اثرات_الکترونیکی/دریچه_الکترونیکی
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، AC/DC>Electric Fields و Currents>Electric Currents (ec) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در درخت Select Physics ، Chemical Species Transport>Transport of Diluted Species (tds) را انتخاب کنید . |
5 | روی افزودن کلیک کنید . |
6 | در درخت Select Physics ، Fluid Flow>Single-Phase Flow>Creeping Flow (spf) را انتخاب کنید . |
7 | روی افزودن کلیک کنید . |
8 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
9 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
10 |  روی Done کلیک کنید . |
ریشه
پارامترهای مدل را از یک فایل متنی اضافه کنید.
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل electrokinetic_valve_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
هندسه 1
هندسه را وارد کنید.
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی Insert Sequence کلیک کنید و Insert Sequence را انتخاب کنید . |
2 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل electrokinetic_valve_geom_sequence.mph دوبار کلیک کنید . |
3 | در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن همه کلیک کنید . |
از گره Materials برای ساختن مواد مایع الکترولیت خود استفاده کنید .
مواد
مایع الکترولیت
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، Electrolyte fluid را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
رسانایی الکتریکی | sigma_iso ; sigmaii = sigma_iso، sigmaij = 0 | 1[S/m] | S/m | پایه ای |
گذر نسبی | epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0 | 1 | 1 | پایه ای |
تراکم | rho | 1e3[kg/m^3] | کیلوگرم بر متر مکعب | پایه ای |
ویسکوزیته دینامیکی | که در | 1e-3[Pa*s] | پس | پایه ای |
تمام ویژگی‌های لازم در رابط‌ها را برای مدلسازی مرحله فوکوس و مراحل تزریق برای هر دو حالت A و B انتخاب کنید. بعداً در گره مطالعه، می‌توانید انتخاب کنید که کدام یک از ویژگی‌هایی که حل می‌شوند.
جریان های الکتریکی (EC)
پتانسیل الکتریکی – مرحله فوکوس و حالت مرحله تزریق B
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Electric Currents (ec) کلیک راست کرده و Electric Potential را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات Electric Potential ، Electric Potential – Focusing stage و Injection stage mode B را در قسمت نوشتاری Label تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، ورودی نمونه را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Electric Potential را پیدا کنید . در قسمت متنی V 0 ، V_appS را تایپ کنید . |
زمین – مرحله فوکوس و حالت مرحله تزریق B
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Ground را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Ground ، Ground – Focusing stage و Injection stage mode B را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، Outlet را انتخاب کنید . |
پتانسیل الکتریکی – مرحله تزریق
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electric Potential را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات Electric Potential ، در قسمت Label، مرحله Electric Potential – Injection را تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، ورودی بافر بالایی را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Electric Potential را پیدا کنید . در قسمت متنی V 0 ، V_appUB را تایپ کنید . |
زمین – مرحله تزریق
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Ground را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Ground ، Ground – Injection stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست Selection ، Lower buffer inlet را انتخاب کنید . |
استفاده از عناصر مرتبه بالاتر، تنظیم شده در بخش گسسته سازی حمل و نقل گونه های رقیق شده ، دقت نتایج را به طور قابل توجهی برای جریان های کم رینولدز مانند جریان های موجود در این مدل بهبود می بخشد.
حمل و نقل گونه های رقیق شده (TDS)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Transport of Diluted Species (tds) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حمل و نقل گونه های رقیق ، بخش مکانیسم های حمل و نقل را پیدا کنید . |
3 | چک باکس مهاجرت در میدان الکتریکی را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش Discretization کلیک کنید . از لیست Concentration ، Quadratic را انتخاب کنید . |
هزینه های گونه
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species (tds) روی Species Charges کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for Species Properties ، بخش Charge را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن z c ، z_c را تایپ کنید . |
ویژگی های حمل و نقل – مرحله تمرکز
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species (tds) روی Transport Properties 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ویژگی های حمل و نقل ، ویژگی های Transport – Focusing stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | بخش ورودی مدل را پیدا کنید . از لیست T ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، T را تایپ کنید . |
4 | قسمت Convection را پیدا کنید . از لیست u ، فیلد سرعت (spf) را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Migration in Electric Field را پیدا کنید . از لیست V ، پتانسیل الکتریکی (ec) را انتخاب کنید . |
6 | قسمت Diffusion را پیدا کنید . در قسمت متن D c ، D را تایپ کنید . |
ویژگی های حمل و نقل – مرحله تزریق
1 | روی Transport Properties – Focusing مرحله کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ویژگی های حمل و نقل ، ویژگی های Transport – Injection stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Convection را پیدا کنید . از لیست u ، User defined را انتخاب کنید . |
غلظت در ورودی نمونه
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Concentration را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تمرکز ، غلظت در ورودی نمونه را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، ورودی نمونه را انتخاب کنید . |
4 | بخش تمرکز را پیدا کنید . تیک گزینه Species c را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متنی c 0,c ، c_in را تایپ کنید . |
غلظت در ورودی های بافر
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Concentration را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تمرکز ، غلظت در ورودی های بافر را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، ورودی های بافر را انتخاب کنید . |
4 | بخش تمرکز را پیدا کنید . تیک گزینه Species c را انتخاب کنید . |
خروجی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Outflow را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات خروجی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، Outlet را انتخاب کنید . |
مهاجرت در ورودی و خروجی – مرحله تزریق
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Flux را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Flux ، مهاجرت در ورودی و خروجی – مرحله تزریق را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، مهاجرت در ورودی و خروجی – مرحله تزریق را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Inward Flux را پیدا کنید . تیک گزینه Species c را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت نوشتاری J 0,c ، -tds.nmflux_c را تایپ کنید . |
متغیر مرزی از پیش تعریف شده tds.nmflux_c شار الکتروفورتیک طبیعی به بیرون را می دهد، N_i · n .
جریان خزنده (SPF)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Creeping Flow (spf) کلیک کنید .
ورودی، نمونه
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Inlet را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، ورودی را تایپ کنید، در قسمت نوشتار برچسب نمونه بگیرید . |
3 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، ورودی نمونه را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Boundary Condition را پیدا کنید . از لیست، جریان کاملاً توسعه یافته را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Fully Developed Flow را پیدا کنید . در قسمت متن U av ، u_a را تایپ کنید . |
ورودی، بافر بالایی
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Inlet را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، ورودی، بافر بالایی را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، ورودی بافر بالایی را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Boundary Condition را پیدا کنید . از لیست، جریان کاملاً توسعه یافته را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Fully Developed Flow را پیدا کنید . در قسمت متن U av ، w_a را تایپ کنید . |
ورودی، بافر پایین تر
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Inlet را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، ورودی را تایپ کنید، بافر را در قسمت نوشتار برچسب پایین بیاورید . |
3 | قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . از لیست Selection ، Lower buffer inlet را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Boundary Condition را پیدا کنید . از لیست، جریان کاملاً توسعه یافته را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Fully Developed Flow را پیدا کنید . در قسمت متن U av ، w_a را تایپ کنید . |
خروجی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Outlet را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Outlet ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، Outlet را انتخاب کنید . |
4 | بخش شرایط فشار را پیدا کنید . چک باکس Normal flow را انتخاب کنید . |
با تنظیمات در بخش Discretization می توان از مش کنترل شده توسط کاربر با عناصر کمتر از مش کنترل شده توسط فیزیک استفاده کرد.
مش 1
چهار وجهی رایگان 1
در نوار ابزار Mesh ، روی Free Tetrahedral کلیک کنید .
Free Tetrahedral کلیک کنید .اندازه
1 | در پنجره Model Builder ، روی Size کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر را پیدا کنید . |
3 | روی دکمه Custom کلیک کنید . |
4 | قسمت پارامترهای اندازه عنصر را پیدا کنید . در قسمت متن حداکثر اندازه عنصر ، 29 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متنی Minimum size element ، 5 را تایپ کنید . |
6 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
تزریق حالت A را در پنج مرحله حل کنید. همانطور که در مراحل زیر نشان داده شده است، ویژگی های حل شده را با اصلاح درخت فیزیک و متغیرها در هر مرحله مطالعه انتخاب کنید:
مطالعه – برای حالت A
1 | در پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، مطالعه – برای حالت A را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
ثابت – مرحله تمرکز
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Study – for mode A روی مرحله 1: Stationary کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، Stationary – Focusing stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Physics and Variables Selection را پیدا کنید . در جدول، کادرهای حل برای جریان های الکتریکی (ec) و حمل و نقل گونه های رقیق شده (tds) را پاک کنید . |
ثابت 2 – مرحله تمرکز
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Stationary>Stationary را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، Stationary 2 – Focusing stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Physics and Variables Selection را پیدا کنید . تیک Modify model configuration for study step را انتخاب کنید . |
4 | در درخت، Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species (tds) را انتخاب کنید . |
5 | کلیک راست کرده و Disable in Solvers را انتخاب کنید . |
6 | در درخت، Component 1 (comp1)>Creeping Flow (spf) را انتخاب کنید . |
7 | کلیک راست کرده و Disable in Solvers را انتخاب کنید . |
8 | در درخت، Component 1 (comp1)>Electric Currents (ec)>Electric Potential – Injection مرحله را انتخاب کنید . |
9 | کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
10 | در درخت، Component 1 (comp1)> Electric Currents (ec)> Ground – Injection stage را انتخاب کنید . |
11 | کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
ثابت 3 – مرحله تمرکز
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Stationary>Stationary را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، Stationary 3 – Focusing stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Physics and Variables Selection را پیدا کنید . تیک Modify model configuration for study step را انتخاب کنید . |
4 | در درخت، Component 1 (comp1)>Electric Currents (ec) را انتخاب کنید . |
5 | کلیک راست کرده و Disable in Solvers را انتخاب کنید . |
6 | در درخت، Component 1 (comp1)>Creeping Flow (spf) را انتخاب کنید . |
7 | کلیک راست کرده و Disable in Solvers را انتخاب کنید . |
8 | در درخت، Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species (tds)>Transport Properties – Injection مرحله را انتخاب کنید . |
9 | کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
10 | در درخت، Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species (tds)>Migration at inlets and outlets – Injection مرحله را انتخاب کنید . |
11 | کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
ثابت – مرحله تزریق
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Stationary>Stationary را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، Stationary – Injection stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Physics and Variables Selection را پیدا کنید . تیک Modify model configuration for study step را انتخاب کنید . |
4 | در درخت، Component 1 (comp1)> Electric Currents (ec)> Electric Potential – Focusing stage و Injection stage mode B را انتخاب کنید . |
5 | کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
6 | در درخت، Component 1 (comp1)> Electric Currents (ec)> Ground – Focusing stage و Injection stage mode B را انتخاب کنید . |
7 | کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
8 | در درخت، Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species (tds) را انتخاب کنید . |
9 | کلیک راست کرده و Disable in Solvers را انتخاب کنید . |
10 | در درخت، Component 1 (comp1)>Creeping Flow (spf) را انتخاب کنید . |
11 | کلیک راست کرده و Disable in Solvers را انتخاب کنید . |
وابسته به زمان – مرحله تزریق
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Time Dependent> Time Dependent را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به Time Dependent ، Time Dependent – Injection stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . در قسمت متنی زمان خروجی ، range(0,0.06,0.6) را تایپ کنید . |
4 | قسمت Physics and Variables Selection را پیدا کنید . در جدول، چک باکس های حل برای جریان های الکتریکی (ec) و جریان خزنده (spf) را پاک کنید . |
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
غلظت را در سطح کانال ها در زمان های انتخاب شده رسم کنید. با t = 0 شروع کنید که مربوط به پایان مرحله تمرکز و شکل 3 است .
تمرکز – حالت A
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results روی Concentration, Surface (tds) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی ، Concentration – Mode A را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست زمان (ها) ، 0 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Concentration – Mode A ، روی  Plot کلیک کنید . |
5 | از لیست زمان (ها) ، 0.06 را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار Concentration – Mode A ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار در پنجره Graphics اکنون باید مانند آنچه در پانل سمت چپ شکل 4 است به نظر برسد .
7 | از لیست زمان (ها) ، 0.12 را انتخاب کنید . |
8 | در نوار ابزار Concentration – Mode A ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار در پنجره Graphics اکنون باید مانند آنچه در پانل سمت چپ شکل 5 است به نظر برسد .
Cut Line 3D 1
1 | در نوار ابزار نتایج ، بر روی  Cut Line 3D کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Cut Line 3D ، بخش Line Data را پیدا کنید . |
3 | در ردیف 1 ، x را روی 10 ، y را روی 10 [um] و z را روی 200 [um] تنظیم کنید . |
4 | در ردیف 2 ، x را روی 10 ، y را روی 10 [um] و z را روی 200- [um] تنظیم کنید . |
خط برش را رسم کنید تا مطمئن شوید که نقاط صحیح را وارد کرده اید. باید در امتداد مرکز کانال تزریق تحتانی قرار گیرد و از گذرگاه عبور کند.
روی Plot کلیک کنید .خط برش رسم شده باید به شکل زیر باشد:
نمودار خط تمرکز – حالت A
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  1D Plot Group کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، نمودار خط تمرکز – حالت A را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Cut Line 3D 1 را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست Layout ، ناحیه محور گراف بیرونی را انتخاب کنید . |
نمودار خطی 1
1 | روی Concentration Line Plot – Mode A کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species>Species c>c – Concentration – mol/m³ را انتخاب کنید . |
3 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن Expression ، 10[um]-z را تایپ کنید . |
5 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . از لیست چرخه رنگ ، Long را انتخاب کنید . |
6 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار Concentration Line Plot – Mode A ، روی  Plot کلیک کنید . |
نتایج را با نمودار بالایی در شکل 6 مقایسه کنید .
اکنون شرایط مرزی را مطابق با حالت تزریق B تغییر دهید، سپس یک حل کننده تنظیم کنید و حل را قبل از تولید نمودارها محاسبه کنید تا با حالت تزریق A مقایسه شود.
اضافه کردن مطالعه
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
تزریق حالت B را در پنج مرحله حل کنید. همانطور که در مراحل زیر نشان داده شده است، ویژگی های حل شده را با اصلاح درخت فیزیک و متغیرها در هر مرحله مطالعه انتخاب کنید:
مطالعه – برای حالت B
1 | در پنجره Model Builder ، روی Study 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، مطالعه – برای حالت B را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
ثابت – مرحله تمرکز
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Study – for mode B، روی Step 1: Stationary کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، بخش Physics and Variables Selection را پیدا کنید . |
3 | در جدول، کادرهای حل برای جریان های الکتریکی (ec) و حمل و نقل گونه های رقیق شده (tds) را پاک کنید . |
4 | در قسمت نوشتار برچسب ، Stationary – Focusing stage را تایپ کنید . |
ثابت 2 – مرحله تمرکز
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Stationary>Stationary را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، Stationary 2 – Focusing stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Physics and Variables Selection را پیدا کنید . تیک Modify model configuration for study step را انتخاب کنید . |
4 | در درخت، Component 1 (comp1)>Electric Currents (ec)>Electric Potential – Injection مرحله را انتخاب کنید . |
5 | کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
6 | در درخت، Component 1 (comp1)> Electric Currents (ec)> Ground – Injection stage را انتخاب کنید . |
7 | کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
8 | در درخت، Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species (tds) را انتخاب کنید . |
9 | کلیک راست کرده و Disable in Solvers را انتخاب کنید . |
10 | در درخت، Component 1 (comp1)>Creeping Flow (spf) را انتخاب کنید . |
11 | کلیک راست کرده و Disable in Solvers را انتخاب کنید . |
ثابت 3 – مرحله تمرکز
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Stationary>Stationary را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، Stationary 3 – Focusing stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Physics and Variables Selection را پیدا کنید . تیک Modify model configuration for study step را انتخاب کنید . |
4 | در درخت، Component 1 (comp1)>Electric Currents (ec) را انتخاب کنید . |
5 | کلیک راست کرده و Disable in Solvers را انتخاب کنید . |
6 | در درخت، Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species (tds)>Transport Properties – Injection مرحله را انتخاب کنید . |
7 | کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
8 | در درخت، Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species (tds)>Migration at inlets and outlets – Injection مرحله را انتخاب کنید . |
9 | کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
10 | در درخت، Component 1 (comp1)>Creeping Flow (spf) را انتخاب کنید . |
11 | کلیک راست کرده و Disable in Solvers را انتخاب کنید . |
ثابت – مرحله تزریق
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Stationary>Stationary را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، Stationary – Injection stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Physics and Variables Selection را پیدا کنید . در جدول، کادرهای حل برای حمل و نقل گونه های رقیق ( tds) و جریان خزنده (spf) را پاک کنید . |
وابسته به زمان – مرحله تزریق
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Time Dependent> Time Dependent را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به Time Dependent ، Time Dependent – Injection stage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . در قسمت متنی زمان خروجی ، range(0,0.06,0.6) را تایپ کنید . |
4 | قسمت Physics and Variables Selection را پیدا کنید . در جدول، چک باکس های حل برای جریان های الکتریکی (ec) و جریان خزنده (spf) را پاک کنید . |
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
غلظت را در سطح کانال ها در زمان های انتخاب شده برای حالت B رسم کنید.
تمرکز – حالت B
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results روی Concentration, Surface (tds) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی ، Concentration – Mode B را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست زمان (ها) ، 0.06 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Concentration – Mode B ، روی  Plot کلیک کنید . |
نتایج را با نتایج سمت راست شکل 4 مقایسه کنید .
5 | در پنجره Model Builder ، روی Concentration – Mode B کلیک کنید . |
6 | از لیست زمان (ها) ، 0.12 را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار Concentration – Mode B ، روی  Plot کلیک کنید . |
نتایج را با نتایج سمت راست شکل 5 مقایسه کنید .
یک گره سه بعدی Cut Line دوم برای حالت Injection Stage B اضافه کنید.
Cut Line 3D 2
1 | در نوار ابزار نتایج ، بر روی  Cut Line 3D کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Cut Line 3D ، قسمت Data را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه – برای حالت B/Solution 6 (sol6) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Line Data را پیدا کنید . در ردیف 1 ، x را روی 10 ، y را روی 10 [um] و z را روی 20 [um] تنظیم کنید . |
5 | در ردیف 2 ، x را روی 10 ، y را روی 10 [um] و z را روی 200- [um] تنظیم کنید . |
نمودار خط تمرکز – حالت B
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  1D Plot Group کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، نمودار خط تمرکز – حالت B را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Cut Line 3D 2 را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست Layout ، ناحیه محور گراف بیرونی را انتخاب کنید . |
نمودار خطی 1
1 | روی Concentration Line Plot – Mode B کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Transport of Diluted Species>Species c>c – Concentration – mol/m³ را انتخاب کنید . |
3 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن Expression ، 10[um]-z را تایپ کنید . |
5 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . از لیست چرخه رنگ ، Long را انتخاب کنید . |
6 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار Concentration Line Plot – Mode B ، روی  Plot کلیک کنید . |
نتایج را با نمودار پایین در شکل 6 مقایسه کنید .
چندین گروه طرح استفاده نمی شوند و می توان آنها را حذف کرد. برای انجام این کار، کلید Ctrl را فشار داده و نگه دارید و نمودارهای پتانسیل الکتریکی (ec) ، تمرکز، خط ساده (tds) ، سرعت (spf) و فشار (spf) را انتخاب کنید . سپس کلیک راست کرده و Delete را انتخاب کنید .
