微量液滴进入双极板结构的运动控制方法及实验研究

发布时间：2017-08-18 01:10

  本文关键词：微量液滴进入双极板结构的运动控制方法及实验研究

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【摘要】：微流体控制系统尤其是数字微流控系统具有实验试剂消耗小、分析效率高和集成方便等特点,已经在化学分析、生物医疗等领域获得了非常广泛的应用。数字微流控芯片主要分为开放式(单极板)和封闭式(双极板)两种,两种芯片各有优缺点,由此单双极板混合数字微流控系统应运而生。而液滴在两区间的运动就成了必然要求,但是对于大液滴而言,进入狭小双极板区十分困难,为了实现了大液滴自发进入双极板区的目的,本文改进了驱动的结构并提出了一种新型的开合式的液滴驱动方式。首先,从理论上研究了液滴进入双极板区域的影响因素。整个过程被分为“初始运动”和“压力运动”两部分。基于分子动力学理论及COMSOL的仿真,得出“初始运动”受到基板厚度,基板湿润度,上下极板间距和上极板形状的影响。基于这些因素,本文对上极板形状和厚度进行了优化。参考不平行中液滴运动的模型,本文提出了利用开合运动及平行板不对称结构使液滴的进入狭窄缝隙的方案。其次,我们针对液滴进入双极板区的过程进行了数值仿真。基于OPENGL三维成像库函数,利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法编写了针对微液滴的仿真程序。模拟了液滴在平面上生成并自发进入缝隙的过程,详细研究了参数对液滴运动过程的影响。通过液滴形成的仿真,验证了模型的正确性。通过对不同间距缝隙和不同形状基板的情况下的液滴运动状态分析,验证了上下板间距和上极板形状的影响作用。最后,液滴进入双极板区的过程在实验上得到了验证。我们采用Teflon的疏水面,通过对于液滴在不同间隙情况下自发运动的情况,验证了理论和仿真的合理性。通过搭建控制平台,实现了两基板的相对开合运动,藉此,成功实现了甚至10μL大液滴的向狭窄间隙运动的目的。并在最后将开合运动的控制方式推广至亲水界面。本文研究了液滴进入双极板区域的运动,优化了液滴运动过程,为之后的液滴运动研究奠定了基础。
【关键词】：数字微流控 双极板 SPH仿真 控制方法
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 课题背景及研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 数字微流控发展现状11-12
• 1.2.2 液滴在单双极板上运动的研究现状12-15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第二章 液滴进入双极板区域的影响因素分析17-34
• 2.1 引言17
• 2.2 Laplace公式17-19
• 2.3 液滴在单双极板上的受力模型19-22
• 2.3.1 液滴在单极板上的受力模型19-20
• 2.3.2 液滴在双极板中的受力模型20-22
• 2.4 液滴进入双极板区运动过程模型22-29
• 2.4.1 液滴进入双极板区“初始运动”的分析与建模22-27
• 2.4.2 液滴进入双极板区“压力运动”的分析与建模27-29
• 2.5 影响液滴进入双极板区域的因素29-32
• 2.5.1 极板界面湿润度29-30
• 2.5.2 上下极板间距30-31
• 2.5.3 上极板厚度31
• 2.5.4 上极板形状31-32
• 2.6 本章小结32-34
• 第三章 针对液滴进入双极板区运动的优化控制方案34-41
• 3.1 引言34
• 3.2 针对液滴运动的结构优化及分析34-36
• 3.2.1 上极板厚度优化34-35
• 3.2.2 上极板形状优化35-36
• 3.3 有利于液滴进入双极板区的运动控制手段36-40
• 3.3.1 上下极板固定的运动控制36-38
• 3.3.2 上下基板可开合运动的运动控制38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 针对液滴进入双极板区运动的SPH仿真分析41-58
• 4.1 引言41
• 4.2 SPH方法基本原理及计算流程41-45
• 4.2.1 SPH方法研究进展41
• 4.2.2 SPH方法基本方程41-44
• 4.2.3 核函数的性质44
• 4.2.4 SPH方法的计算流程44-45
• 4.3 针对液滴运动的SPH数值算法建模45-49
• 4.3.1 拉格朗日视角下的Navier-Stokes方程46
• 4.3.2 密度的近似算法46-47
• 4.3.3 压强的近似算法47-48
• 4.3.4 压力项与粘度项的近似算法48-49
• 4.4 SPH方法在液滴运动中应用的关键问题49-51
• 4.4.1 边界处理49
• 4.4.2 光滑长度选择49
• 4.4.3 表面张力处理49-51
• 4.5 仿真结果及分析51-57
• 4.5.1 液滴形成的仿真52-53
• 4.5.2 液滴进入不同双极板间隙的双极板区的仿真53-55
• 4.5.3 液滴进入不同上极板形状的双极板区的仿真55-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第五章 液滴进入双极板区运动控制实验58-65
• 5.1 引言58
• 5.2 液滴开合运动实验系统58-59
• 5.2.1 疏水界面58
• 5.2.2 微动平台58-59
• 5.3 基于不同厚度上基板液滴初始位置的比较59-60
• 5.4 基于疏水界面的不同大小液滴的运动实验60-63
• 5.5 基于亲水界面的大液滴的运动实验63-64
• 5.6 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 总结65-66
• 6.2 展望66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间科研成果71-72
• 致谢72-73

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本文编号：691964