Modellierung und Simulation von Mikropumpen

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In diesem Projekt soll eine neuartige Mikropumpe zur Teilchentrennung im Detail untersucht werden. Die Mikropumpe besteht aus einem dreidimensionalen Array von identischen Poren mit periodisch variierendem Durchmesser, durch die eine verdünnte Suspension der zu sortierenden Teilchen hin und her gepumpt wird. Im Zusammenspiel des asmmetrischen Strömungsfeldes mit stochastischen Kräften thermischer Natur ergibt sich nach dem Funktionsprinzip der "Brownschen Motoren" eine gerichtete Bewegung der suspendierten Teilchen. Da die Transportrichtung von den dynamisch relevanten Details des Systems abhängt, insbesondere z.B. von der Teilchengrösse, lässt sich diese hydrodynamische Mikropumpe zur kontinuierlichen und parallelen Teilchentrennung technologisch nutzen. Die Brownsche Bewegung kleiner Teilchen in einem zeitabhängigen viskosen Strömungsfeld durch eine Pore mit einem variierendem Querschnitt stellt ein anspruchvolles und komplexes hydrodynamisches Problem dar. Da allerdings für eine experimentelle Realisierung der Mikropumpe ein möglichst genaues Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse unverzichtbar ist, soll dieses Problem in unserem Teilprojekt im Zusammenspiel analytischer und numerischer Methoden eingehend untersucht werden. Im Einzelnen stehen folgende Themen im Vordergrund: (1) Transporteigenschaften. Es sollen der gerichtete Transport sowie die effektive Diffusion der Teilchen in der Pore in Abhängigkeit der Systemparameter Teilchengrösse, Pumpamplitude/frequenz, Porenform, usw. untersucht werden. Insbesondere soll hierbei die Rückwirkung der Teilchenbewegung auf die Fluidströmung berücksichtigt werden. (2) Teilchenwechselwirkung. Im Mittelpunkt stehen hier die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen mittels ihren Volumens und mittels hydrodynamischer Effekte, und insbesondere die Frage, inwieweit diese Wechselwirkungen den Transport der Teilchen beeinflussen. (3) Effizienz der Teilchentrennung. Ziel ist es schließlich, aufbauend auf den Ergebnissen der ersten beiden Punkte die Effizienz der Trennung von verschieden großen Teilchen durch Anpassen der Systemparameter zu verbessern. Dies ist vor allem im Hinblick auf die optimale experimentelle Realisierung der Mikropumpe von Bedeutung. Als Ratschenmechanismen kommen dabei sowohl eine asymetrische Pore ("Ratschenoprofil") mit symmetrischem Antrieb als auch eine symetrische Pore ("Sinusprofil") mit asymetrischem Antrieb (aber Mittelwert null) in Frage. Bezüglich der Physik Brownscher Motoren und hydrodynamischer Problemstellungen kann auf einen großen Erfahrungsschatz in der Arbeitsgruppe von Prof. Hänggi zurückgegriffen werden. In der Gruppe von Prof. Zenger existieren umfangreiche Erfahrungen mit numerischen Simulationen von Strömungs-und Transportvorgängen in ähnlich komplexen Systemen wie unserer Mikropumpe.