微流控系統(tǒng)流動(dòng)-電場(chǎng)-離子運(yùn)動(dòng)多物理場(chǎng)耦合現(xiàn)象研究.pdf

1、微通道液體流動(dòng)是微流控芯片實(shí)現(xiàn)分析功能的重要前提。深入了解微流控芯片中液體流動(dòng)特殊現(xiàn)象和內(nèi)在規(guī)律,對(duì)微流控芯片的功能實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)有至關(guān)重要的作用。由于固-液界面雙電層的存在,微通道液體流動(dòng)呈現(xiàn)與宏觀流動(dòng)不同的特性,動(dòng)電效應(yīng)是其中最重要的流場(chǎng)-電場(chǎng)-離子運(yùn)動(dòng)多物理場(chǎng)耦合現(xiàn)象。本文旨在對(duì)微流控芯片內(nèi)的流動(dòng)動(dòng)電效應(yīng)進(jìn)行初步的理論分析和數(shù)值研究,初步獲得微通道液體流動(dòng)的基本規(guī)律和特性,以指導(dǎo)新型高性能微流控芯片的研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　本

2、文從雙電層理論出發(fā),結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)方程,詳細(xì)研究了微流控芯片流動(dòng)中的動(dòng)電現(xiàn)象?？偨Y(jié)雙電層Poisson-Boltzmann方程三種簡(jiǎn)化求解方法,得到分別的適用范圍:Debye-Huckel線性化適用于低表面Zeta電位勢(shì)的情況;孤立平板近似適用于動(dòng)電直徑(微通道尺度與雙電層厚度比值)比較大的情況下;雙電層弱重疊近似則幾乎適合所有情況。論文研究了微通道定常壓差驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)中的流動(dòng)電位勢(shì)和電粘性效應(yīng)。研究表明,微通道定常壓差驅(qū)動(dòng)流中,表面Z

3、eta電位勢(shì)以及動(dòng)電直徑均對(duì)電粘性效應(yīng)有重要影響:隨著表面Zeta電位勢(shì)增加,電粘性效應(yīng)增強(qiáng);隨著動(dòng)電直徑增加,電粘性效應(yīng)減弱。研究結(jié)果表明,存在一個(gè)臨界動(dòng)電直徑,當(dāng)動(dòng)電直徑小于該值時(shí),表觀粘度與液體粘度之比隨著動(dòng)電直徑的增加而增大,當(dāng)動(dòng)電直徑大于該值后,表觀粘度與液體粘度之比隨著動(dòng)電直徑的增加而減小。
　　論文研究了微擴(kuò)散管通道液體流動(dòng)中的流場(chǎng)、流動(dòng)電位勢(shì)及電粘性效應(yīng)。由于電粘性效應(yīng)的存在,造成了通過微擴(kuò)散管的液體流量減少。相同

4、壓差的情況下,收縮管流(微擴(kuò)散管反方向流動(dòng))的流量損失百分比比擴(kuò)散管流要略大。微擴(kuò)散管通道內(nèi)的流動(dòng)電位勢(shì)分布與規(guī)則直微通道不同。研究表明(1)沿著對(duì)稱軸線流動(dòng)電位勢(shì)呈非線性增長(zhǎng),在截面小的端面處,流動(dòng)電位勢(shì)增長(zhǎng)較快,截面寬的地方增長(zhǎng)緩慢。(2)由于微擴(kuò)散管通道流動(dòng)中有徑向的流動(dòng),存在徑向的流動(dòng)電位勢(shì)。(3)收縮管流中的徑向的流動(dòng)電粘性效應(yīng)增加了流動(dòng)阻力,相反的是,擴(kuò)散管流中的徑向的流動(dòng)電粘性效應(yīng)減小了其流動(dòng)阻力,因此二者流量損失百分比的

5、差別隨擴(kuò)散角增加越來越大。
　　論文研究了微通道周期壓差驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)中的流場(chǎng)、流動(dòng)電位勢(shì)及電粘性效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),周期流動(dòng)速度是頻率雷諾數(shù)、電粘性數(shù)和動(dòng)電直徑這三個(gè)獨(dú)立的無量綱參數(shù)的函數(shù)。隨著頻率雷諾數(shù)的增加,速度振幅快速衰減;電粘性數(shù)越大,電粘性效應(yīng)越明顯,速度振幅明顯減小;動(dòng)電直徑越小,電粘性效應(yīng)越明顯,速度振幅越小。周期流動(dòng)存在一個(gè)臨界頻率雷諾數(shù),在頻率雷諾數(shù)小于1時(shí),周期流動(dòng)電位勢(shì)振幅隨頻率雷諾數(shù)變化很慢;在頻率雷諾數(shù)大于1

6、后,周期流動(dòng)電位勢(shì)振幅隨頻率雷諾數(shù)的增加而快速衰減。研究表明,周期流動(dòng)中的電粘性力受三個(gè)因素的影響:(1)電粘性數(shù),它表示定常流動(dòng)時(shí),通道最大電粘性力與壓力梯度的比(2)形狀函數(shù),它表示電粘性力在通道橫截面的分布形態(tài)(3)耦合系數(shù),它表示電粘性力的振幅頻率衰減特征和相位差。
　　論文最后研究了微通道表面外加電壓調(diào)控雙電層來控制電滲流的方法。研究結(jié)果顯示,在一定的調(diào)控電壓下,固-液界面Zeta電位的大小與溶液介電系數(shù)和微通道材料介電