基于交流动电效应的微混合器研究

摘要

微流控芯片中的流体混合是微流控研究领域的一个重要分支。由于微流控芯片中流体通道尺寸很小（通常为微米量级），流动雷诺数较小，流动状态一般为层流，混合只能依靠分子扩散，所需时间较长。利用交流动电效应对微流控芯片中的流体进行混合具有芯片几何结构简单、加工成本低、易于集成、所需电压低、溶液不易电解等优势，因此得到了广泛关注。本文利用交流动电效应中的交流电渗流和交流电热流，设计了两类微流体混合器，并采用数值模拟结合实验的方法对其进行了深入研究。
　　首先，本文详述了微流控芯片及微流体混合器的国内外研究现状，介绍了双电层及交流电渗流的形成机理以及基于等效电路法的交流电渗流速度模型；同时阐述了交流电热效应的产生机理及模型，为本文的微混合器设计提供理论基础。
　　其次，基于非对称电极交流电渗流的流动特征，本文提出并设计了非对称电极交流电渗混合器。建立了该混合器的数学物理模型，通过求解Navier-Stokes方程及对流扩散方程，数值模拟了三维通道中两种溶液的混合。通过对微通道内的流场及浓度场的仿真分析解释了该混合器的工作原理。通过仿真分析，得到了该混合器的关键结构参数（电极宽度比、电极间距、电极长度及电极偏移距离）对混合器性能的影响规律。同时分析了所加电压幅值及频率、流体雷诺数及溶液电导率对该混合器性能的影响规律。
　　再次，基于交流电热流的流动特征，本文设计了用以促进微流体混合的偏场加热的交流电热微混合器。建立了该混合器的数学物理模型，通过多物理场（电场、温度场、流场、浓度场）耦合的仿真分析阐明了该混合器的工作原理，并数值研究了加热片尺寸参数、加热片热通量、流体流量及电导率对混合效率的影响规律。针对混合高电导率溶液时温升较大的问题提出了相应的解决措施。
　　最后，本文对设计的两种混合器分别进行了实验研究。以PDMS及玻璃基底为材料，采用金电极，制作了微混合芯片。分别进行了两种微混合器的荧光素溶液混合实验，验证了本文微混合器设计的可行性及数值计算结论。研究成果为微流体的快速混合提供了理论及实验依据。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 课题国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 交流动电效应理论基础

2.1 交流电渗流

2.2 交流电热效应

2.3 本章小结

3 非对称电极交流电渗微混合器的数值模拟及实验研究

3.1 引言

3.2 非对称电极交流电渗微混合器的结构设计及数值模型

3.3 非对称电极交流电渗混合器的数值模拟结果及分析

3.4 非对称电极交流电渗微混合器的实验研究

3.5 本章小结

4 偏场加热的交流电热微混合器的数值模拟及实验研究

4.1 引言

4.2 偏场加热的交流电热微混合器的结构设计及数值模型

4.3 偏场加热的交流电热微混合器的数值模拟结果及分析

4.4 偏场加热的交流电热微混合器的实验研究

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 研究工作总结

5.2 创新点

5.3 今后工作展望

致谢

参考文献