微流控芯片中单壳状颗粒运动轨迹数值模拟

摘要

微流控芯片的技术,是多个学科相互交叉,协调发展的产物。它的出现,是伴随着基础科学快速发展的结果而来的。在微流控的发展历程中,基于流体力学为主的微流控芯片的理论分析已经取得了丰硕的成果。其实验研究也是广泛的应用于生物医学和化学等行业中。但是,在这些大量的成果背后,针对于微流控芯片,有针对性的数值仿真研究却显得更加重要。
　　本文以微流控芯片中,经常会遇到的90度圆形弯管道为例,以壳状粒子为研究对象,采用理论研究和数值模拟的方法对颗粒运动特性进行了深入的研究,为微流控芯片的设计实验研究都提供了参考和指导。本文的主要工作内容如下:
　　(1)依据实验中的复杂生物样品,建立了单壳状结构的single-shell模型。
　　(2)参照微流控芯片中的双电层理论,分析了电渗流的理论机理。
　　(3)根据计算流体力学和双电层理论,分别建立了电渗流的流场和电场耦合方程组。
　　(4)根据single-shell模型,计算了壳状粒子的CM因子,推导出壳状粒子在非均匀电场中的电泳力和介电电泳力以及颗粒间相互作用力等公式。构建了完善的壳状粒子受力模型。
　　(5)作者用C语言编写了用户自定函数UDF程序,完成了数值仿真计算。
　　(6)根据在微流控芯片中的数值仿真情况,得到了颗粒的运动特性规律并分析了颗粒运动轨迹不同的原因。同时,用统计学的方法研究了颗粒的沉降情况并通过分析得出了壳状粒子的运动特性结论。

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1 绪论

1.1研究背景

1.2微流控芯片的国内外发展现状

1.3课题依据和研究意义

1.4本文的研究内容及创新点

2 微流控芯片中的基本理论和Single-shell模型

2.1双电层理论

2.2电渗流原理和电渗流驱动

2.3介电电泳的原理与简介

2.4壳状粒子和Single-shell模型

2.5本章小结

3 流体控制方程与颗粒受力分析

3.1流体的控制方程

3.2微流控芯片中颗粒的受力分析

3.3粒子间相互作用力

3.4本章小结

4 微流控芯片中的数值模拟方法研究

4.1数值模拟的求解流程

4.2数值模拟的离散方法

4.3数值模拟的计算方法

4.4 UDF简介和应用

4.5 Single-shell模型参数的UDF编程

4.6壳状颗粒的电场力UDF编程

4.7本章小结

5 壳状粒子在微流控芯片中运动轨迹的研究

5.1微流控芯片的几何模型

5.2微流体的流动模型

5.3壳状粒子受力模型

5.4壳状粒子运动特性分析

5.5小结

6 总结及展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

作者简介