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微通道内电渗流有限元数值模拟

作　者: 葛忠年
导　师: 刘莹
学　校: 南昌大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 表面粗糙度 电渗流 有限元 zeta电势 微混合
分类号: O242.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 155次
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内容摘要


微流控芯片在疾病诊断、药物筛选和环境监测等许多方面有着广泛运用,微流控芯片的迅速发展对微流体及其控制的研究提出了更高的要求。微流控芯片具有体积小、可调控参数多、调控精确度高、自动化程度高、可以集成和大批量生产、能实现快速分析和降低硬件费用等独特的优点。但是,微观尺度下的流体运动与宏观流动的规律不同,宏观状态下常常被忽略的一些影响因素,在微观尺度下对流体运动却起着主要的作用,成为影响微流控芯片性能的关键因素之一,引起研究者的极大关注。本文分析了电渗流形成的基本理论,推导了电场和流场多场耦合的控制方程,并运用多物理场分析软件对圆形微通道内壁面粗糙度对电渗流的影响,以及zeta电势和微通道截面形状对微混合的影响进行详细地研究。本文的主要研究成果和创新在于:构建了壁面粗糙度单元为三角形的几何模型,采用有限元方法研究了壁面粗糙度单元参数对圆形截面微通道内电渗流的影响,分析了微通道两端存在阻碍压力作用下的情况。结果表明,壁面粗糙度单元宽度和间隔增加时微通道中截面流速先减小后增加。截面流速随着相对粗糙度的增加非线性减小,但减小趋势变缓。相对粗糙度增加时压力与截面流速线的斜率减小,截面流速不易受压力变化的影响。结论对电渗流驱动微流体的精确操控具有技术参考意义。模拟了二维电渗流驱动下的微混合,研究了极性相同的壁面zeta电势和极性相反的壁面zeta电势对应微通道内的混合速度,获得了壁面带有极性相反的zeta电势时截面形状与混合速度的相关关系。结果表明,壁面所带极性相同的电势的截面内的混合效率小于极性相反的壁面电动势的截面混合速度;微通道截面为等面积矩形时,高宽比的增加混合速度快速增加然后缓慢下降;对于截面为等腰梯形的微通道,混合速度随高度值递增变化首先迅速递增然后缓慢递减,在高宽比为1/6左右混合速度最高。研究为微混合器的设计提出了一种设计新思路。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第1章 绪论  8-21
  1.1 微流控芯片概况  8-10
  1.2 电渗流研究现状  10-11
    1.2.1 实验研究  10
    1.2.2 数值模拟  10-11
  1.3 微流动系统的研究趋势  11-14
  1.4 影响微流动因素  14-19
    1.4.1 尺度效应  15
    1.4.2 表面力  15-17
    1.4.3 表面粗糙度  17
    1.4.4 气泡  17-18
    1.4.5 边界滑移现象  18
    1.4.6 流体极性  18-19
    1.4.7 流体粘度  19
    1.4.8 入口效应  19
  1.5 主要内容和意义  19-21
    1.5.1 主要研究内容  19-20
    1.5.2 研究意义  20-21
第2章 微尺度下电渗流理论和场控制方程  21-33
  2.1 双电层理论  21-22
  2.2 电渗流的形成和影响因素  22-24
    2.2.1 影响电渗因素  23-24
  2.3 数学模型控制方程  24-27
    2.3.1 电场控制方程-Poisson-Boltzmann方程  24-26
    2.3.2 流场控制方程-Navier-Stokes Equation方程  26-27
    2.3.3 浓度分布  27
  2.4 有限单元法  27-29
  2.5 多物理场耦合分析软件  29-32
    2.5.1 多物理场分析软件建模流程  29-31
    2.5.2 微机电模块  31-32
  2.6 本章小结  32-33
第3章 壁面粗糙度对电渗流的影响  33-49
  3.1 微通道内壁面粗糙度研究  33-34
  3.2 计算模型建立  34-37
    3.2.1 参数设置和边界条件  34-36
    3.2.2 计算区域的网格划分  36-37
  3.3 模拟结果与分析  37-48
    3.3.1 粗糙度单元宽度w  38-43
    3.3.2 粗糙度单元间隔d  43-44
    3.3.3 相对粗糙度k  44-46
    3.3.4 粗糙度单元偏距e  46-48
  3.4 本章小结  48-49
第4章 微通道内电渗流驱动的混合模拟  49-65
  4.1 微混合研究现状  49-50
  4.2 物理模型及边界条件  50-51
  4.3 模拟结果与分析  51-63
    4.3.1 壁面zeta电势对微通道截面内的混合速度影响  51-59
    4.3.2 等横截面的矩形微通道与混合速度的关系  59-61
    4.3.3 不同的底等腰梯形截面的微通道的混合速度  61-63
  4.4 本章小结  63-65
第5章 结论与展望  65-67
  5.1 结论  65-66
  5.2 展望  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-72
攻读学位期间的研究成果  72

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中图分类: > 数理科学和化学 > 数学 > 计算数学 > 数学模拟、近似计算 > 数学模拟
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