微小异形截面槽道内电渗流动特性分析

论文摘要

目前,随着微加工技术、微机电系统与微流体器械等高新技术的迅猛发展,微小尺寸设备己在微电子机械系统、微机电系统、微型器械等诸多领域开始应用。其中,具有结构简单、流动方式连续等特点的电渗微泵不仅应用于微机电系统,在医疗药物运输以及两相流制冷技术,甚至宇航科技中也都有着广阔的应用前景。另一方面,直接甲醇燃料电池作为一种新型清洁能源成为当前的热点研究课题,直接甲醇燃料电池内水的迁移和甲醇的渗透与电渗作用密切相关。因此,深入研究微尺度槽道内电渗流动特性将为这些现代高新技术的应用和发展奠定基础,对改善燃料电池内物质传输和提升燃料电池性能具有重要的理论指导意义。本文分别在等温流动及考虑焦耳热情况下,建立了微小三角形槽道、圆柱体材料按三角形、正方形排列所构成的微小槽道内电渗流动理论模型。通过Galerkin法计算并分析了其内部的电势及速度分布,获得了温度、槽道尺寸、电场强度、zeta电势以及电解质浓度对微槽道内电渗流动的影响规律。得到了不同槽道尺寸以及zeta电势下质量流量分别随顺压力梯度以及逆压力梯度变化关系,并分别将顺压力梯度以及逆压力梯度下速度分布与纯电渗流动下速度分布进行了比较,系统地讨论了质量流量随各无量纲参数的变化规律,其主要结论如下:①微槽道内双电层引起的电势分布存在于槽道壁面附近,越靠近壁面电荷分布越密集,液体所受电渗作用引起的体积力愈大。②在电渗体积力和粘性力共同作用下,槽道壁面间距较小处的中心区域的液体流速较大;而间距较大处的中心区域的液体速度较小。③液体的质量流量随zeta电势、电场强度、流体温度及电解质浓度的增加而增加,随槽道尺寸的增加先增加后减小。④质量流量随顺压力梯度的增加而增加,当压力梯度较小时,电渗作用较大,质量流量随压力梯度变化较小;当压力梯度增大到一定程度时,质量流量随压力梯度的增加近似成线性增加。逆压力梯度条件下情况则相反。⑤槽道尺寸较大时,压力梯度的影响对电渗流动影响较大;不同zeta电势下,压力梯度对电渗流动的影响情况变化不大。⑥当逆压力梯度达到一定值时,槽道内壁面间距较小处液体流速为正,而槽道内壁面间距较大处液体流速为负。⑦随着Ju数的增加,温度随之升高,流道内的液体流速亦会随之增加。当逆压力梯度较小时,较大Ju数下的质量流量较大,当逆压力梯度较大时,较大Ju数下的质量流量却更小。⑧压力梯度一定的情况下,质量流量随K值的增加而增加,当逆压力梯度为某一值时,K值较小时Ju数较大的质量流量较小,K值较大时,Ju数越大的质量流量越大。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 电渗流动概述
• 1.2.1 电渗流动简介
• 1.2.2 电渗流动研究现状
• 1.3 Galerkin 法简介
• 1.3.1 计算步骤
• 1.3.2 基函数选取
• 1.3.3 技术难点
• 1.4 本课题研究内容及意义
• 2 微小三角形槽道内电渗流动特性分析
• 2.1 控制方程及边界条件
• 2.2 计算方法
• 2.3 计算结果及分析
• 2.3.1 纯电渗流动
• 2.3.2 有压差驱动下电渗流动
• 2.3.3 无量纲参数群及影响
• 2.4 主要结论
• 3 圆柱体材料堆积构成的微小槽道内电渗流动特性分析
• 3.1 控制方程及边界条件
• 3.2 计算方法
• 3.3 计算结果及分析
• 3.3.1 三角形排列圆柱体构成的微小槽道
• 3.3.2 正方形排列圆柱体构成的微小槽道
• 3.3.3 无量纲参数群及影响
• 3.4 主要结论
• 4 微小三角形槽道内焦耳热对电渗流动的影响
• 4.1 控制方程及边界条件
• 4.2 计算方法
• 4.3 计算结果及分析
• 4.4 主要结论
• 5 圆柱体材料堆积构成的微小槽道内焦耳热对电渗流动的影响
• 5.1 控制方程及边界条件
• 5.2 计算方法
• 5.2.1 三角形排列圆柱体构成的微小槽道
• 5.2.2 正方形排列圆柱体构成的微小槽道
• 5.3 计算结果及分析
• 5.3.1 三角形排列圆柱体构成的微小槽道
• 5.3.2 正方形排列圆柱体构成的微小槽道
• 5.4 主要结论
• 6 全文总结
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 相关问题展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• 附录B