微流道内压力驱动流数值模拟研究

摘要

微流控芯片以微细加工技术和微电子技术为基础,以生命科学和分析化学为主要研究对象,研究试剂在微流道网络中的采样、稀释、反应、检测和分离等过程。本文针对微流控芯片中存在的尺度效应、表面效应和边界滑移等问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,系统研究了微流道中压力驱动流的输运规律。论文的主要研究工作和成果如下:
　　 1.分析研究了国内外微流动芯片的发展历史和研究现状,介绍了微流控中存在的动电现象和微流体的分类及其控制机理,以及微流体力学的基本问题,基于多物理场耦合特征,提出了本文的研究内容。
　　 2.在微尺度下,针对流道内存在的动电效应,在宏观流体力学理论的基础上,分析了微流控中的数学模型,即双电层电势分布P-B方程、感应电场方程及修正后的N-S方程,为本文的研究提供了理论依据。
　　 3.建立了2D的平行板光滑微流道物理模型,推导了一维双电层电势分布、感应电场及流场速度分布的线性解析解和非线性完全数值解,并应用基于FEM的COMSOL软件数值模拟了光滑微流道内的压力驱动流,其结果与线性解析解进行比较,以验证COMSOL软件求解的正确性与精度。通过COMSOL分别对亲水材料和疏水材料制作的微流道内流体的双电层电势分布、平均流速、体表粘度比、摩擦系数以及流动电势进行了数值模拟。研究表明,随着特征长度和zeta电势的减小,双电层电势分布由“塞状”向抛物线过渡；在考虑动电效应的情形下,微流体的平均流速小于宏观流体的平均流速,流道中心的流速减小,电粘效应加强,微流体的表观粘度增大,且摩擦系数大于宏观流体的摩擦系数,流动电势随着特征长度和外加压力的增大而增大,随着电解质溶液浓度的减小而增大；疏水材料制作的微流道边界存在滑移速度,与亲水材料制作的微流道相比,其流体的平均流速和流动电势有所增加,疏水材料起到减摩的作用,表观粘度有所降低。上述研究对进一步缩小微流控芯片的尺度具有参考价值。
　　 4.建立了3D的矩形光滑微流道物理模型,推导了二维双电层电势分布、感应电场和流场速度分布的线性解析解和非线性完全数值解,并应用MATLAB软件编写P-B方程、感应电场方程和N-S方程的离散化网格程序,求解上述方程的完全数值解。研究表明,由于矩形微流道的边角奇异性,导致边角处的电势分布变化平缓,“回流”现象更加明显；当液力直径一定时,随着深宽比的增大,平均流速和流动电势增大,而体表粘度比和摩擦系数都有所减小,当深宽比为1时,上述变化趋势达到极限；液力直径、电解质溶液浓度和外加压力等也是动电效应的影响因素,上述影响因素与矩形微流道内的平均流速、体表粘度比、流动电势和摩擦系数等流体特性参数的关系,类似于上述动电效应的影响因素与平行板微流道内流体的特性参数的关系；矩形微流道内流体的摩擦系数大于平行板内流体的摩擦系数。上述研究为实现精确且定量地控制微流控芯片中流体的流速提供参考依据。
　　 5.研究了Y型微流道的分流传输以及复杂U型微流道的样品传输模型。结果表明,动电效应阻碍了Y型微流道中流体的分流传输,使得体表粘度比减小摩擦系数增大；在复杂U型微流道样品传输的过程中,“回流”现象大大减弱了溶液的对流与扩散,使得样品传输过程中浓度不均匀一致的现象更加严重,所以要尽量避免“回流”现象的发生。