Ecoulements gazeux isothermes dans les microcanaux : Profils des grandeurs physiques et débits de masse

Isothermal gas flows in microchannels: physical parameter profiles and mass flow rates

Résumé

Les microsystèmes d’analyse intégrés, ou µTAS (Micro Total Analysis Systèmes), permettent d’améliorer considérablement la détection de cancers dès les premiers stades d’apparition. En effet, ils interviennent au niveau moléculaire au lieu d’attendre que la maladie ne se manifeste sous forme de tumeurs détectables. Ils offrent également un bien meilleur rendement que les techniques courantes de laboratoire. Ce papier présente le développement d’un microsystème fluidique d’analyse intégré pour la détection et la surveillance génétique de cancer. Des micro-réacteurs fluidiques, placés dans des écoulements liquides d’un macro-dispositif, représentent l’aspect novateur du système développé. Le haut rendement est obtenu par la combinaison de micro-réacteurs évoluant périodiquement en parallèle. Cette approche permet de relever le challenge technologique qu’induit la rencontre des mondes macroscopiques et microscopiques. Parce que les réacteurs sont immergés dans un milieu liquide, la contamination du dispositif et le risque associé à de faux résultats sont minimisés. Ce papier présente une vue d’ensemble sur la génération de micro-gouttes présentées comme les micro-réacteurs, le mélange à micro-échelle de ceux-ci, l’amplification d’ADN par un système fluidique basé sur la PCR et la détection utilisant des techniques optiques.

Abstract

This paper deals with the treatment of gas flow slip regime in the micro channels, under the isothermal flow assumption. Numerical and analytical simulations are used, supposing that the ducts are long enough to disregard the inlet and the outlet effects. The quasi-gasdynamic equations (QGD), previously developed on the basis of a kinetic model are mainly considered for the continuum equations. Analytical approximated solutions for the mass flow rate and for the pressure and the velocity profiles are obtained using perturbation expansions. The deduced expression for the mass flow rate is similar to the analytical expression obtained from the Navier-Stokes equations with a second order slip boundary condition and gives results in agreement with the measurements. The effects of rarefaction and of compressibility on the pressure distributions are analyzed and appear generally opposed. The analytical expression of pressure accurately predicts the measured pressure distribution. The numerical calculations based on the full system of the QGD equations were carried out for different sizes of the microchannels and for different gases. The Knudsen numbers calculated at the channel exit and based on the channel height vary from 0.001 to 0.2.