微通道内幂律流体电渗调控和热效应数值模拟研究

摘要

微流控芯片可以在微尺度空间实现对流体的不同控制以完成各种物理、化学等操作，由于其尺寸小、成本低、响应快、精度高的特点被广泛应用。作为目前最主要的微流体驱动技术，电渗流广泛应用于微流控系统的液体输送、混合、反应和分离。本文对微通道内电渗调控和非等温电渗流动进行了理论分析和数值模拟，对微流控芯片的研发和应用具有一定的指导意义。主要研究工作和成果如下：
　　以Poisson-Boltzmann（PB）模型和Poisson-Nernst-Planck（PNP）模型为基础，结合数值模拟和实验验证对平板微通道内的电渗流输运特性进行分析，揭示了微/纳尺度牛顿流体和非牛顿幂律流体电渗流动的基本规律。分析表明，幂律流体电渗流速度随幂律指数和动电参数的增大非线性减小，速度流型发生变化。外加电场和zeta电势的改变使幂律流体速度大小非线性变化，但并不影响速度流型。
　　采用具有普适性的PNP模型对两种典型热边界条件下微通道内电渗流的流动和传热进行了数值模拟。实现了电场、流场、离子浓度场和温度场的多物理场耦合，同时考虑了流体物理参数随温度的变化。研究结果表明，通过对温度场适当的控制可以导致多种非塞型的电渗流。恒定的温度梯度导致剪切流动，水平变化的热边界条件诱导出脉动流，交替变化的垂直温度梯度引起波浪流。微通道内离子分布随着温度梯度的不同而发生变化，表现为低壁温区域离子浓度高于高壁温区域，且离子周期运动滞后于温度场变化。
　　对壁面存在异构zeta电势的平板微通道内流体流动进行了数值模拟，分析了非牛顿幂律流体的微混合特性。研究结果表明，幂律流体表观粘度的差异对动电现象具有不同的效果，对混合效率有显著的影响。流体的剪切变稀特性有增强动电现象的趋势，剪切变稠特性则相反。当流体幂律指数减小时，能够得到更好的混合效果。相对牛顿流体和膨胀性流体而言，假塑性流体采用电渗微混合更具效率和实用性。通过对外加电场和zeta电势的调控可以改善混合性能，假塑性流体比牛顿流体和膨胀性流体对参数更敏感。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 微流控芯片概述

1.3 微流控芯片中电渗流研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 微流控系统动电理论与控制方程

2.1 微尺度流动的主要特点

2.2 微流控芯片中的动电现象

2.3 电渗流理论与数学模型

2.4 牛顿流体与非牛顿流体

2.5 数值模拟方法

2.6 本章小结

第3章 基于PNP模型的平板微通道电渗流研究

3.1 基于PNP模型与PB模型的牛顿流体电渗流数值模拟

3.2 微通道电渗流实验研究

3.3 基于PNP模型的非牛顿幂律流体数值模拟

3.4 本章小结

第4章 平板微通道内非等温电渗流动数值模拟

4.1 电渗流场的调控

4.2 电渗流热效应

4.3 非等温电渗流动数值模拟

4.4 本章小结

第5章 幂律流体电渗微混合的数值模拟

5.1 微通道混合机理和背景

5.2 非牛顿流体混合

5.3非牛顿幂律流体电渗混合数值模拟

5.4 结果分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

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