基于MHD微流控驱动技术的理论研究

摘要

微流控技术研究是当今世界的前沿科技领域之一，如何高效的驱动微流道中的流体是其发展的关键，现阶段常用的驱动力有压力、电场力、表面张力等。其中，磁流体动力学（magnetohydrodynamics，MHD）驱动是基于导电液体在电磁场中受到洛伦兹力而发生运动状态变化的一种技术，因其具有结构简单、可双向泵浦以及操作电压低等独特优点而得到关注。现阶段对于 MHD驱动的研究方式主要是科学实验，因其涉及电场、磁场以及流场的多物理场耦合，数值仿真分析难度较大，相关研究也较少。为了进一步研究和应用 MHD驱动技术，对其的数值仿真分析成为现阶段迫切需要解决的问题。
　　本课题以微流控驱动技术中 MHD驱动作为研究对象，完成了基本理论分析，通过数值仿真软件建立了不同尺度、不同流道构型的物理模型，经过求解计算得出流道内电场、磁场、流场等相关物理参量的分布，解决了其内部电磁场分布抽象、不易理解的难点，同时对仿真结果的合理、正确性给予验证，为 MHD驱动技术在微流控中的进一步发展应用提供了有力的辅助和验证手段。
　　本文首先分析了 MHD驱动技术的基本理论，以经典流体力学理论和经典电磁学理论推导了在理想条件下的数学模型，得到在直流和交流 MHD驱动下流体的受力方程以及电场、磁场、流场三者之间的数学关系表达式。其次利用Comsol Multiphysics软件对直流MHD驱动进行了数值仿真，通过建立物理模型、设置参数及求值运算得出流道内电场、磁场以及流场的分布情况，得到在不同电压的流体速度。仿真结果表明在直流8V、磁场强度0.5T下流体速度为0.8mm/s，通过与所引用的实验数据对比，直流8~14V的实验数据与仿真值较为吻合，从而验证了数值仿真解决方案的有效性以及仿真结果的正确性。最后以 MHD驱动技术在微流控器件中的应用为研究对象，选择在微流控器件设计中常见的两种流道：矩形流道和梯形流道，建立微米量级的物理模型，对物理模型的电场、磁场以及流场等相关参量进行了研究。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状及文献回顾

1.3 MHD驱动技术的数值仿真发展与意义

1.4本文的研究内容及方法

第二章 MHD驱动基本理论

2.1流体力学基础知识

2.2 MHD驱动原理及特点

2.3 MHD驱动的电磁特性分析

2.4流道尺寸的影响分析

2.5阻力对流体的影响分析

2.6电流加热的影响分析

2.7本章小结

第三章 MHD驱动技术的数值仿真

3.1数值仿真方法与软件介绍

3.2 MHD驱动技术的数值仿真前处理

3.3 MHD驱动技术的数值仿真结果分析

3.4 MHD驱动技术的数值仿真验证

3.5本章小结

第四章 微米尺度下不同形状流道MHD驱动仿真

4.1矩形流道MHD驱动仿真前处理

4.2矩形流道MHD驱动仿真结果分析

4.3梯形流道MHD驱动仿真分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2前景展望

参考文献

附录 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢