微流控系統(tǒng)流動-電場-離子運動多物理場耦合現(xiàn)象研究.pdf

1、微通道液體流動是微流控芯片實現(xiàn)分析功能的重要前提。深入了解微流控芯片中液體流動特殊現(xiàn)象和內在規(guī)律,對微流控芯片的功能實現(xiàn)和優(yōu)化設計有至關重要的作用。由于固-液界面雙電層的存在,微通道液體流動呈現(xiàn)與宏觀流動不同的特性,動電效應是其中最重要的流場-電場-離子運動多物理場耦合現(xiàn)象。本文旨在對微流控芯片內的流動動電效應進行初步的理論分析和數(shù)值研究,初步獲得微通道液體流動的基本規(guī)律和特性,以指導新型高性能微流控芯片的研發(fā)和優(yōu)化設計。
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2、文從雙電層理論出發(fā),結合流體動力學方程,詳細研究了微流控芯片流動中的動電現(xiàn)象?？偨Y雙電層Poisson-Boltzmann方程三種簡化求解方法,得到分別的適用范圍:Debye-Huckel線性化適用于低表面Zeta電位勢的情況;孤立平板近似適用于動電直徑(微通道尺度與雙電層厚度比值)比較大的情況下;雙電層弱重疊近似則幾乎適合所有情況。論文研究了微通道定常壓差驅動液體流動中的流動電位勢和電粘性效應。研究表明,微通道定常壓差驅動流中,表面Z

3、eta電位勢以及動電直徑均對電粘性效應有重要影響:隨著表面Zeta電位勢增加,電粘性效應增強;隨著動電直徑增加,電粘性效應減弱。研究結果表明,存在一個臨界動電直徑,當動電直徑小于該值時,表觀粘度與液體粘度之比隨著動電直徑的增加而增大,當動電直徑大于該值后,表觀粘度與液體粘度之比隨著動電直徑的增加而減小。
　　論文研究了微擴散管通道液體流動中的流場、流動電位勢及電粘性效應。由于電粘性效應的存在,造成了通過微擴散管的液體流量減少。相同

4、壓差的情況下,收縮管流(微擴散管反方向流動)的流量損失百分比比擴散管流要略大。微擴散管通道內的流動電位勢分布與規(guī)則直微通道不同。研究表明(1)沿著對稱軸線流動電位勢呈非線性增長,在截面小的端面處,流動電位勢增長較快,截面寬的地方增長緩慢。(2)由于微擴散管通道流動中有徑向的流動,存在徑向的流動電位勢。(3)收縮管流中的徑向的流動電粘性效應增加了流動阻力,相反的是,擴散管流中的徑向的流動電粘性效應減小了其流動阻力,因此二者流量損失百分比的

5、差別隨擴散角增加越來越大。
　　論文研究了微通道周期壓差驅動液體流動中的流場、流動電位勢及電粘性效應。研究發(fā)現(xiàn),周期流動速度是頻率雷諾數(shù)、電粘性數(shù)和動電直徑這三個獨立的無量綱參數(shù)的函數(shù)。隨著頻率雷諾數(shù)的增加,速度振幅快速衰減;電粘性數(shù)越大,電粘性效應越明顯,速度振幅明顯減小;動電直徑越小,電粘性效應越明顯,速度振幅越小。周期流動存在一個臨界頻率雷諾數(shù),在頻率雷諾數(shù)小于1時,周期流動電位勢振幅隨頻率雷諾數(shù)變化很慢;在頻率雷諾數(shù)大于1

6、后,周期流動電位勢振幅隨頻率雷諾數(shù)的增加而快速衰減。研究表明,周期流動中的電粘性力受三個因素的影響:(1)電粘性數(shù),它表示定常流動時,通道最大電粘性力與壓力梯度的比(2)形狀函數(shù),它表示電粘性力在通道橫截面的分布形態(tài)(3)耦合系數(shù),它表示電粘性力的振幅頻率衰減特征和相位差。
　　論文最后研究了微通道表面外加電壓調控雙電層來控制電滲流的方法。研究結果顯示,在一定的調控電壓下,固-液界面Zeta電位的大小與溶液介電系數(shù)和微通道材料介電