基于晶格Boltzmann的微流体驱动理论与方法研究
发布时间：2020-09-12 18:53
微流体驱动是微机电系统、微流控系统、生物芯片、微型传感器等微分析系统的核心技术。由于微尺度流动的特殊性,离散微液滴的介电润湿驱动、连续微流体的蠕动式驱动这两类典型的微流体驱动以及微流体传热方面还存在诸多不明确的问题。针对这些问题,本文提出了晶格Boltzmann-电流体动力学方法,研究了介电润湿驱动的离散微液滴运动,并对基于介电润湿的变焦液体微透镜进行了分析。从液滴所受电场力的角度揭示了介电润湿理论无法解释的接触角饱和现象;对传统的浸入边界-晶格Boltzmann方法进行了改进并用于研究蠕动流。解决了传统数值方法研究蠕动流时对波幅和波长大小的限制,克服了传统浸入边界-晶格Boltzmann方法不满足无滑移边界条件的缺点,并且避免了边界变形产生的力的复杂计算;提出了耦合的双分布函数热晶格Boltzmann方法并研究了黏性热耗散和压缩功对Rayleigh-Bénard对流的影响。打破了现有热晶格Boltzmann方法只适用于满足Boussinesq近似的热流动限制,扩展可热晶格Boltzmann方法的应用范围。论文的主要工作包括以下几个方面:1)提出了一种晶格Boltzmann-电流体动力学方法,研究了介电润湿对离散微液滴的驱动机理。将晶格Boltzmann和电流体动力学理论结合,采用密度分布函数描述流场,引入一种新的分布函数计算电场,并将电场力耦合到密度分布函数的演化方程中,实现了电场与流场的耦合。分析了液滴运动过程中电场分布情况、液滴形态、液滴边缘位置、液滴润湿长度及接触角随时间的变化过程;研究了电极切换频率、外加电压和液体黏度等因素对液滴速度的影响。该方法较好地揭示了现有理论无法解释的固-液接触角饱和现象,可以从液体所受电场力的角度解释导电液体、介电液体和低表面张力液体形成的液滴的驱动机理。2)采用晶格Boltzmann-电流体动力学方法研究了基于介电润湿的变焦液体微透镜。分析了电压对透镜曲率半径、透镜焦距和光焦度的影响,建立了电压与焦距的关系;研究了透镜从凹透镜到凸透镜的转变,分析了透镜变焦的动态演变过程;讨论了液体物理性质对透镜响应时间及系统性能的影响。3)采用改进的浸入边界-晶格Boltzmann方法研究了蠕动流的驱动机理。将变形管壁的运动速度作为速度源引入晶格Boltzmann方程,避免了传统浸入边界-晶格Boltzmann方法中边界变形产生的力的复杂计算,研究了管道内的流场分布,分析了各相关参数如振幅比、频率、波数以及液体黏度对驱动效果的影响。仿真结果在较大的振幅比和波数条件下获得收敛的解,打破了传统数值方法在研究蠕动流时对波幅和波长大小的限制,克服了它们在处理动边界时网格重建的困难;克服了传统浸入边界-晶格Boltzmann方法不能完全满足无滑移边界条件的缺点。4)采用耦合的双分布函数热晶格Boltzmann方法研究了黏性热耗散和压缩功对Rayleigh-Bénard对流的影响。将温度的变化以动量源的形式引入动量演化方程,实现了动量场和能量场的耦合,打破了现有双分布函数热晶格Boltzmann方法仅限于温度变化较小的Boussinesq流的限制。分析了不同Rayleigh数和纵横比条件下,含黏性热耗散和压缩功与不含黏性热耗散和压缩功的两个Rayleigh-Bénard对流模型的差异,探索了黏性热耗散和压缩功对微流体传热的影响。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH-39
【部分图文】：
设备旨在在正确的时间和位置精确地给药［２５］。微流体驱动在药物输送应用中起着逡逑关键作用，它将药物从药物贮存器转移到目标位置，具有高性能、高精度和高可逡逑靠性。药物输送系统的简化系统如图１．１所示，该系统可以通过控制器精确计算逡逑出适当和有效的给药量，并通过微泵等器件在适当的时间释放药物。控制药物释逡逑放的好处包括定点给药、减少副作用和提高疗效等。逡逑药物u?存器逦？微栗邋逦？（流置传感器）＾逡逑逦？控制器邋？—信号调节器逡逑图１．１给药系统示意图逡逑微流体驱动的第一个应用领域是胰岛素输送系统［２６］，它可以在不需要频繁注逡逑射的情况下将糖尿病患者的血糖水平维持在理想水平。一种通用的胰岛素输送系逡逑统包括一个胰岛素贮存器、一个将胰岛素从贮存器泵送到血管的微型泵和一个控逡逑制系统。控制系统的目的是测量体内血糖水平并向控制器发送信号对流量进行精逡逑确控制。同样，在药物输送系统中，微泵也得到广泛应用。集成的药物输送系统逡逑具有与胰岛素输送系统相似的组成部分。Ｃｏｂｏ等人提出一种具有低功耗电解逡逑致动器的无线植入式微泵，用于癌症患者的慢性给药。该装置由一对交叉的钿电逡逑极和用可膨胀聚对二甲苯波纹管密封的电解液组成。在电解激活过程中，波纹管逡逑５逡逑
表面产生负电荷，从而吸引溶液中带正电的离子，在固－液界面处形成逡逑双电层。在通道两端施加电压，双电层内的阳离子在外加电场作用下向阴极移动，逡逑通过黏性作用拖曳周围液体分子一起运动，其工作原理如图１．３所示。电渗驱动逡逑由于其无机械可动部件、操作简单、可控性好且流动峰面较为平整的特点％］，可逡逑以提高微量液体的驱动效率和精度。但该驱动方法也存在一些局限性，如驱动所逡逑需电压较高、只能驱动可产生电渗流的介质、长时间工作稳定性较差、电渗流对逡逑通道表面性质敏感等。逡逑：、逡逑ｌｉｉｓｐｐｐｉ．逦逡逑图１．３电渗驱动原理逡逑电流体驱动：电场力是很重要的微流体驱动源。在传统的机械（压力）驱动方逡逑式的微流控系统操作中，要达到一定的流量需求，往往需要采用很高的压差来实逡逑现，而电驱动方式利用表面力代替体积力就能解决这一问题［３６］。电流体动力微泵逡逑的工作原理是外加电场作用于流体中的带电离子，离子的迁移会拖动整个流体流逡逑动。这类微泵不需要机械活动部件，加工难度较低，但它对所驱动的液体的介电逡逑性质要求较高，应用局限性较大。逡逑磁流体驱动：导电液体在电场和磁场中的流动［３７］。磁流体微泵结构简单
方程的直接数值模拟方法中，压力满足以速度应变为源的泊松方程，数值求解该逡逑压力方程非常困难，通常需要进行特殊处理，比如迭代或松弛，而ＬＢＭ可以通逡逑过状态方程计算压力，因此它避免了通过求解泊松方程来获得压力场。图１．５比逡逑较了不同层次的数值模拟方法。逡逑微流体研究逡逑１逦Ｉ逦１逡逑宏观逦介观逦微观逡逑１逦Ｉ逦１逡逑Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程逦Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方柯：逦汉密尔顿方程逡逑逦±逦邋逦Ｉ逦邋逦邋逦逡逑有限元、有限差分等逦品格Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法逦分子动力学方法逡逑：一…」：逦１逦 …」：……：逡逑：逦！逦粒＋演化过程消？晰逦ｊ逦｜逡逑｜忽视微流动特殊性丨逦边界条件易处理逦；逦计货ｆＳ：Ｌｉ大逦｜逡逑并行性、扩展性逦丨逦！逡逑Ｌ逦Ｉ逦逦邋＇逦＇逡逑图１．５不同层次的数值模拟方法逡逑１．４晶格Ｂｏ丨ｔｚｍａｎｎ方法研究进展逡逑从历史上看，ＬＢＭ源自格子气自动机（ＬＧＡ）。在ＬＧＡ中，流体被建模为一逡逑系列的离散粒子，这些粒子在相应的时步（时间离散）下以一定的格子速度（速逡逑１２逡逑
本文编号：2817774
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH-39
【部分图文】：
设备旨在在正确的时间和位置精确地给药［２５］。微流体驱动在药物输送应用中起着逡逑关键作用，它将药物从药物贮存器转移到目标位置，具有高性能、高精度和高可逡逑靠性。药物输送系统的简化系统如图１．１所示，该系统可以通过控制器精确计算逡逑出适当和有效的给药量，并通过微泵等器件在适当的时间释放药物。控制药物释逡逑放的好处包括定点给药、减少副作用和提高疗效等。逡逑药物u?存器逦？微栗邋逦？（流置传感器）＾逡逑逦？控制器邋？—信号调节器逡逑图１．１给药系统示意图逡逑微流体驱动的第一个应用领域是胰岛素输送系统［２６］，它可以在不需要频繁注逡逑射的情况下将糖尿病患者的血糖水平维持在理想水平。一种通用的胰岛素输送系逡逑统包括一个胰岛素贮存器、一个将胰岛素从贮存器泵送到血管的微型泵和一个控逡逑制系统。控制系统的目的是测量体内血糖水平并向控制器发送信号对流量进行精逡逑确控制。同样，在药物输送系统中，微泵也得到广泛应用。集成的药物输送系统逡逑具有与胰岛素输送系统相似的组成部分。Ｃｏｂｏ等人提出一种具有低功耗电解逡逑致动器的无线植入式微泵，用于癌症患者的慢性给药。该装置由一对交叉的钿电逡逑极和用可膨胀聚对二甲苯波纹管密封的电解液组成。在电解激活过程中，波纹管逡逑５逡逑
表面产生负电荷，从而吸引溶液中带正电的离子，在固－液界面处形成逡逑双电层。在通道两端施加电压，双电层内的阳离子在外加电场作用下向阴极移动，逡逑通过黏性作用拖曳周围液体分子一起运动，其工作原理如图１．３所示。电渗驱动逡逑由于其无机械可动部件、操作简单、可控性好且流动峰面较为平整的特点％］，可逡逑以提高微量液体的驱动效率和精度。但该驱动方法也存在一些局限性，如驱动所逡逑需电压较高、只能驱动可产生电渗流的介质、长时间工作稳定性较差、电渗流对逡逑通道表面性质敏感等。逡逑：、逡逑ｌｉｉｓｐｐｐｉ．逦逡逑图１．３电渗驱动原理逡逑电流体驱动：电场力是很重要的微流体驱动源。在传统的机械（压力）驱动方逡逑式的微流控系统操作中，要达到一定的流量需求，往往需要采用很高的压差来实逡逑现，而电驱动方式利用表面力代替体积力就能解决这一问题［３６］。电流体动力微泵逡逑的工作原理是外加电场作用于流体中的带电离子，离子的迁移会拖动整个流体流逡逑动。这类微泵不需要机械活动部件，加工难度较低，但它对所驱动的液体的介电逡逑性质要求较高，应用局限性较大。逡逑磁流体驱动：导电液体在电场和磁场中的流动［３７］。磁流体微泵结构简单
方程的直接数值模拟方法中，压力满足以速度应变为源的泊松方程，数值求解该逡逑压力方程非常困难，通常需要进行特殊处理，比如迭代或松弛，而ＬＢＭ可以通逡逑过状态方程计算压力，因此它避免了通过求解泊松方程来获得压力场。图１．５比逡逑较了不同层次的数值模拟方法。逡逑微流体研究逡逑１逦Ｉ逦１逡逑宏观逦介观逦微观逡逑１逦Ｉ逦１逡逑Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程逦Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方柯：逦汉密尔顿方程逡逑逦±逦邋逦Ｉ逦邋逦邋逦逡逑有限元、有限差分等逦品格Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法逦分子动力学方法逡逑：一…」：逦１逦 …」：……：逡逑：逦！逦粒＋演化过程消？晰逦ｊ逦｜逡逑｜忽视微流动特殊性丨逦边界条件易处理逦；逦计货ｆＳ：Ｌｉ大逦｜逡逑并行性、扩展性逦丨逦！逡逑Ｌ逦Ｉ逦逦邋＇逦＇逡逑图１．５不同层次的数值模拟方法逡逑１．４晶格Ｂｏ丨ｔｚｍａｎｎ方法研究进展逡逑从历史上看，ＬＢＭ源自格子气自动机（ＬＧＡ）。在ＬＧＡ中，流体被建模为一逡逑系列的离散粒子，这些粒子在相应的时步（时间离散）下以一定的格子速度（速逡逑１２逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 甘云华;徐进良;;水和甲醇在硅基微通道中换热特性的实验研究[J];自然科学进展;2005年12期
本文编号：2817774
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