基于熵的微流动传热特性的数值分析

摘要

微流控芯片广泛应用于样品传输、分析、检测以及微电子元器件的散热，具有尺寸小、成本低、响应快和精度高等特点。微流控芯片内流体驱动方式主要为电渗驱动、压力驱动及其混合驱动。本文对微通道内流体流动的传热过程进行了理论分析和数值模拟，系统地研究了各流动参数对传热特性的影响。主要研究内容和结论如下：
　　考虑流体热物变性与焦耳热效应、黏性热耗散的影响，研究二维平板微通道内电渗流的传热特性，分析不同的流动参数对整个传热过程的影响。结果表明大部分情况下无需考虑流体的物变性，焦耳热系数进一步抑制物变性的影响。黏性热耗散是zeta电势和动电参数的减函数，焦耳热效应是zeta电势和动电参数的增函数。总体上，zeta电势越大，无量纲温度越高。
　　使用熵增加原理来研究二维平板微通道内电渗?压力混合驱动流的传热传质过程，分析流体内能增大过程中各热效应所占比重。结果表明反向混合驱动流内无量纲温度和熵低于正向混合驱动流的。微通道中心区域内流体的熵是最小的，壁面处的最大。无量纲离子浓度是动电参数 K的增函数。流动参数对各热效应的作用较大，影响熵增加过程中各热效应所作的贡献。
　　考虑黏性热耗散以及流体电阻非均匀分布的影响，研究二维平板微通道内压力驱动流的传热过程，分析不同流动参数对传热过程及流动电势的影响。结果表明电流密度平衡条件可以更准确地描述电黏性效应。动电参数不影响黏性热耗散的强弱。动电参数K=10时电黏性效应最明显，流体总熵最小。流动速度、熵和流动电势均为电黏性系数的减函数。
　　通过分析各流动参数对微流体传热过程的影响，使得焦耳热效应与黏性热耗散几乎不影响传热过程，使微流体达到最大的传热效率，对微流控芯片的开发及微电子元器件散热设计具有一定的指导意义。

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第1章 引言

1.1 背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容

第2章 微通道内流体流动的控制方程

2.1 微通道内溶液流动

2.2 传热过程

2.3 无量纲处理

2.4 假设条件

2.5 本章小结

第3章 微通道内流体的电渗流及传热过程

3.1 控制方程及其边界条件与建模过程

3.2 流动参数范围

3.3 Debye- Huckel近似适用范围分析

3.4 zeta电势、动电参数对温度的影响

3.5 zeta电势对黏度比、Po数、Nu数的影响

3.6 黏性变化系数A对平均速度、Nu数和Po数的影响

3.7 焦耳热系数对平均速度的影响

3.8 本章小结

第4章 微通道内电渗-压力混合驱动流的传热传质过程及熵分析

4.1 模型假设与控制方程及其边界条件

4.2 速度比Γ、动电参数K对速度、温度的影响

4.3 焦耳热、黏性热耗散系数对温度的影响

4.4 传质系数ReSc、动电参数K和速度比Γ数对离子浓度的影响

4.5不同流动参数对局部熵的影响

4.6 不同流动参数对总熵的影响

4.7 传质系数ReSc、焦耳热和黏性热耗散系数对各热效应的影响

4.8 zeta电势、动电参数K对总熵ST及各热效应的影响

4.9 本章小结

第5章 微通道内压力驱动流的传热过程及流动电势

5.1 控制方程

5.2 电流平衡的速度及其问题

5.3 电流密度平衡条件及其流动速度

5.4 动电参数K对速度的影响

5.5 电黏性系数γ*、动电参数K对温度θ、熵S的影响

5.6 电黏性系数γ*、动电参数K和Br数对Po数、Nu数的影响

5.7动电参数K、电黏性系数γ*对流动电势的影响

5.7 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果