微通道內(nèi)冪律流體電滲調(diào)控和熱效應(yīng)數(shù)值模擬研究.pdf

1、微流控芯片可以在微尺度空間實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的不同控制以完成各種物理、化學(xué)等操作，由于其尺寸小、成本低、響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。作為目前最主要的微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)，電滲流廣泛應(yīng)用于微流控系統(tǒng)的液體輸送、混合、反應(yīng)和分離。本文對(duì)微通道內(nèi)電滲調(diào)控和非等溫電滲流動(dòng)進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)微流控芯片的研發(fā)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。主要研究工作和成果如下：
　　以Poisson-Boltzmann（PB）模型和Poisson-Nernst-

2、Planck（PNP）模型為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)平板微通道內(nèi)的電滲流輸運(yùn)特性進(jìn)行分析，揭示了微/納尺度牛頓流體和非牛頓冪律流體電滲流動(dòng)的基本規(guī)律。分析表明，冪律流體電滲流速度隨冪律指數(shù)和動(dòng)電參數(shù)的增大非線性減小，速度流型發(fā)生變化。外加電場(chǎng)和zeta電勢(shì)的改變使冪律流體速度大小非線性變化，但并不影響速度流型。
　　采用具有普適性的PNP模型對(duì)兩種典型熱邊界條件下微通道內(nèi)電滲流的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)、流場(chǎng)、離

3、子濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的多物理場(chǎng)耦合，同時(shí)考慮了流體物理參數(shù)隨溫度的變化。研究結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)適當(dāng)?shù)目刂瓶梢詫?dǎo)致多種非塞型的電滲流。恒定的溫度梯度導(dǎo)致剪切流動(dòng)，水平變化的熱邊界條件誘導(dǎo)出脈動(dòng)流，交替變化的垂直溫度梯度引起波浪流。微通道內(nèi)離子分布隨著溫度梯度的不同而發(fā)生變化，表現(xiàn)為低壁溫區(qū)域離子濃度高于高壁溫區(qū)域，且離子周期運(yùn)動(dòng)滯后于溫度場(chǎng)變化。
　　對(duì)壁面存在異構(gòu)zeta電勢(shì)的平板微通道內(nèi)流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了非牛頓冪律流