圆形微通道内压力驱动流有限元数值模拟

作     者：王路鹏 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘莹

授予年度：2014年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：圆形微通道 压力驱动流 边界滑移效应 动电效应 流动电势 

摘      要：微流控芯片以微通道网络为结构特征，依靠流体的流动实现微通道内样品的输运以及样品的采样、混合与分离、反应与检测等过程，其关键问题是实现微流体的精确操控。本文针对微尺度下流体流动存在的边界滑移效应、动电效应等问题，从流体力学基本方程出发，建立了微流动多物理场耦合的动电力学模型，基于有限元法数值模拟研究了圆形微通道内压力驱动流的流动电势以及流动特性。论文的主要工作内容和结果如下： 1.在光滑圆形微通道中，采用Nernst-Planck方程耦合Poisson方程和Navier-Stokes(NS)方程建立了描述微通道中双电层电位与离子分布的Poisson-Nernst-Planck(PNP)模型，应用多物理场有限元软件COMSOL Multi-physics求解模型控制方程，得到了微通道中双电层电位的数值解，对比分析了PNP模型和传统Poisson-Boltzmann(PB)模型的双电层电位分布。结果表明，当微通道特征长度较小或溶液离子浓度较低时，离子不满足Boltzmann分布的假设条件，两种模型的双电层电位分布有较大偏差，与PB模型相比，PNP模型能更准确地描述微通道中双电层电位与离子分布。 2.以光滑圆形微通道为研究对象，基于PNP模型数值模拟了微通道内的压力驱动流，分析了微通道中的流动电势及流体流动速度。结果表明，动电效应对流动有阻滞作用而边界滑移效应对流动有促进作用;随着压力梯度的增大或离子浓度的减小，流动电势增大;随着微通道特征长度的增大，流动电势先是急剧增加然后逐渐减小;微通道特征长度或溶液离子浓度越小，流动速度偏离理论值越大，动电效应对流动的影响越明显;低离子浓度溶液在较小特征长度微通道中流动会出现局部回流现象，其根本原因是流体剪切力方向发生了改变，考虑速度滑移时，边界滑移效应加剧了微通道壁面附近流体的回流，减小了微通道中的流动电势，但同时也使微流动体积流量增加;无流体回流现象时，流动电势和流动速度均随着滑移系数的增大而增大，当离子浓度较低时，对应的壁面ζ电势绝对值越大，边界滑移效应对流动速度和流动电势的影响不明显。上述研究结果丰富了微尺度下压力驱动流的基础理论。 3.研究了圆形微扩散管内的压力驱动流。研究结果表明，流动电势沿着流动方向非线性增长，微流体扩散方向流动时流动电势最大值要大于收缩方向流动;微扩散管的流动电势随着离子浓度的增大或扩散角的增大而减小，而随着两端的压力差的增大而增大;在相同的压力差下，扩散方向流动体积流量要大于收缩方向流动，由于动电效应的作用，体积流量有所减小，尤其是离子浓度较低时，动电效应越明显，体积流量大幅度减小，由于边界滑移效应的作用，体积流量有所增加;随着离子浓度的减小或滑移系数的增大，流量效率略微增大;微扩散管长度及扩散角太大或太小均对流量效率不利。上述研究结果为进一步提高微扩散管流量和流量效率提供了参考依据。 4.采用典型粗糙元和随机粗糙度建立了粗糙圆形微通道的物理模型，数值模拟研究了粗糙圆形微通道内的压力驱动流。研究结果表明，流动电势随着粗糙元个数及高度、宽度或相对粗糙度的增大而减小，随着滑移系数的增大而增大;流动摩擦系数随着粗糙元个数及高度、宽度或相对粗糙度的增大而增大，而随着滑移系数的增大而减小。