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作者：王路鹏南昌大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：圆形微通道压力驱动流边界滑移效应动电效应流动电势

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微流道内压力驱动流数值模拟研究

微流道内压力驱动流数值模拟研究

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作者：刘凯辉南昌大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：压力驱动流动电效应 zeta电势流动电势摩擦系数

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薄膜式气动微阀的流动特性研究

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昆明理工大学学报（自然科学版） 2017年第5期42卷 39-45页

作者：龙威杨绍华巨少华田时泓昆明理工大学机电工程学院云南昆明650500

通过分析薄膜式气动微阀的内部流动特性,研究控制通道的驱动方式以及阀膜片结构对微阀耐压性和有效性的影响.建立不同微流道内控制方程和阀膜片的受力方程;计算压力驱动和速度驱动下微阀内部的流场特性,分析平展膜和波形膜的变形规律.... 详细信息

通过分析薄膜式气动微阀的内部流动特性,研究控制通道的驱动方式以及阀膜片结构对微阀耐压性和有效性的影响.建立不同微流道内控制方程和阀膜片的受力方程;计算压力驱动和速度驱动下微阀内部的流场特性,分析平展膜和波形膜的变形规律.搭建实验测试系统,测试不同入口速度下微阀的关闭性能.研究表明:压力驱动较速度驱动具有更好的控制性能,但容易造成阀膜片变形失效.波形膜较平展膜具有更好耐压性,并且可以增强控制的灵敏度和有效性.

关键词：气动微阀压力驱动流波形膜流动特性

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