异构表面微通道内电渗流与微混合研究

发布时间：2017-08-07 17:15

  本文关键词：异构表面微通道内电渗流与微混合研究

  更多相关文章： 电渗流 粗糙微通道 格子Boltzmann方法 瞬态特性 微混合

【摘要】：微流控芯片是在一块几平方厘米的芯片上集成生物、化学实验室基本功能单元的技术平台,对于分析仪器的微型化,集成化具有重要的意义。电渗流(EOF)是一种高效的微流体操控技术,其在微流控芯片技术中已有广泛的应用,如微流体输送,DNA排序,细胞分离等。本文针对EOF中的复杂粗糙表面效应、瞬态特性以及微混合进行了研究。主要的研究内容和成果如下:采用有限元法(FEM)数值模拟了Poisson-Nernst-Planck(PNP)模型的粗糙微通道内幂律流体EOF。研究了正弦粗糙元和准分形粗糙元对微通道内幂律流体EOF流动特性的影响,研究结果表明,正弦粗糙元或准分形粗糙元凸起处和凹陷处的双电层电势和外加电场电势分布趋势相反;幂律流体EOF流量随着两种粗糙元相对高度或准分形粗糙元迭代次数的增加而减小,随着准分形粗糙元分形维数的增加而增大,且在频率为2.2时EOF流量最小。采用格子Boltzmann方法研究了横向交变电场驱动EOF和纵向交变电场调控EOF的瞬态特性,研究结果表明,EOF瞬态速度大小与交变电场幅值和溶液离子浓度成正比,与交变电场频率成反比。对于横向交变EOF,微通道中心区域的流体的运动滞后于EDL内流体;对于纵向交变EOF,微通道上下壁面的电极板对数、间距和电极板极性对流体的流动影响巨大,会改变微通道内EOF速度方向以及漩涡数量和大小。采用FEM对比分析了三种T型微混合器内流场和浓度场的分布,并研究了Reynolds(Re)数和Schmidt(Sc)数对流体混合效率的影响。研究结果表明,两种溶液的混合效率随着Re数和Sc数的增加而减小,且减小趋势变缓;嵌入肋板的被动式混合强化模型内的混合效率在两块肋板附近剧烈波动;增加壁面非均匀Zeta电势的主动式混合强化模型内混合效率沿水平微通道方向上波动较小,且这种波动在高Re数或低Sc数时会被抑制。当Re数较小时,增加壁面非均匀Zeta电势的主动式混合能更好地提高溶液的混合效率,但当Re数较大时,嵌入肋板的被动式混合的混合效果更好。
【关键词】：电渗流 粗糙微通道 格子Boltzmann方法 瞬态特性 微混合
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492;TK124
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 研究的背景与意义9-10
• 1.2 微流控芯片研究现状10-12
• 1.3 电渗流研究现状12-16
• 1.3.1 光滑微通道电渗流12-13
• 1.3.2 粗糙微通道电渗流13-14
• 1.3.3 交变电场电渗流14-15
• 1.3.4 电渗微混合15-16
• 1.4 本文研究内容16-17
• 第2章 电渗流理论基础及控制方程17-25
• 2.1 电渗流理论基础17-18
• 2.2 电渗流控制方程18-21
• 2.2.1 EDL电势控制方程18-19
• 2.2.2 外加电场电势控制方程19
• 2.2.3 流场控制方程19-20
• 2.2.4 浓度场控制方程20
• 2.2.5 流体本构方程20-21
• 2.3 电渗流流动的格子Boltzmann方程21-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 粗糙表面微通道内幂律流体电渗流研究25-42
• 3.1 幂律流体电渗流PNP模型验证25-27
• 3.2 正弦粗糙表面微通道27-32
• 3.2.1 物理模型和边界条件27-28
• 3.2.2 正弦粗糙元对电势以及速度分布的影响28-29
• 3.2.3 正弦粗糙元高度的影响29-31
• 3.2.4 正弦粗糙元频率的影响31-32
• 3.3 准分形粗糙表面微通道32-41
• 3.3.1 物理模型和边界条件32-33
• 3.3.2 准分形粗糙元对电势以及速度分布的影响33-36
• 3.3.3 动电参数的影响36-37
• 3.3.4 幂律指数的影响37-39
• 3.3.5 准分形粗糙元高度的影响39
• 3.3.6 准分形粗糙元分形维数的影响39-40
• 3.3.7 准分形粗糙元迭代次数的影响40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 交变电场瞬态电渗流研究42-59
• 4.1 横向交变电场驱动电渗流42-47
• 4.1.1 物理模型和边界条件42-43
• 4.1.2 横向交变电场驱动电渗流的瞬态速度43-45
• 4.1.3 交变电场强度的影响45
• 4.1.4 交变电场频率的影响45-46
• 4.1.5 溶液离子浓度的影响46-47
• 4.1.6 微通道宽度的影响47
• 4.2 纵向交变电场调控电渗流47-58
• 4.2.1 物理模型和边界条件47-48
• 4.2.2 纵向交变电场调控电渗流的瞬态速度48-50
• 4.2.3 交变电场强度的影响50-51
• 4.2.4 交变电场频率的影响51
• 4.2.5 溶液离子浓度的影响51-52
• 4.2.6 微通道宽度的影响52
• 4.2.7 电极板对数的影响52-54
• 4.2.8 电极板间距的影响54-56
• 4.2.9 电极板极性的影响56-58
• 4.3 本章小结58-59
• 第5章 T型微混合器的混合强化59-67
• 5.1 牛顿流体电渗流PB模型验证59-60
• 5.2 物理模型和边界条件60-61
• 5.3 流场和浓度场61-63
• 5.4 Re数的影响63-65
• 5.5 Sc数的影响65-66
• 5.6 本章小结66-67
• 第6章 结论与总结67-70
• 6.1 总结67-69
• 6.2 创新点69
• 6.3 展望69-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-78
• 攻读学位期间的研究成果78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：635791