微通道流场混合与分离特性的研究

论文摘要

本论文主要是用数值模拟的方法,对微通道流场中的流动和传质现象进行研究,并在此基础上对流场中的混合和分离特性进行了深入的探讨。文中所得结论对于微流体芯片的设计等应用具有一定的指导作用。首先对与微通道流动相关的微流控芯片技术的发展做了全面的阐述。通过对静态混合器和动态混合器的比较分析,研究了微流控芯片中微通道构型和微通道表面特性对流场和化学反应的影响,指出了微流控芯片中层流和扩散效应所起的作用。其次,阐述了微流体力学的基础理论。从微机电系统出发,介绍了对流体模型区域的划分以及微通道中的流体力学连续模型和基于分子的流动模型。在论述了流体传质过程的基础上,提出了微通道对流扩散的控制方程和边界条件,对于在分析化学中使用广泛的高效毛细管电泳,分析了微通道电渗流的基本方程和边界条件。接着论文介绍了用于微通道流场的计算机数值模拟方法即有限差分法和有限体积法,提出了相应的边界处理办法。对于耦合物理量的求解,介绍了SIMPLE方法。结合目前微流控芯片的结构和加工方法,对微通道中流体参数的测量技术进行了介绍和分析。在阐述弯曲微通道的电泳和分离的基础上,提出了U形微通道电渗流场和被动粒子运动计算的数学模型。结合微通道构型、样本离散率和对称率及壁面电荷分布,提出了优化参数和优化法则。计算了不同情况下的流场分布和样本粒子分布。对于样本液和参考液在微通道中的混合,提出了基于截面质量分数分布均匀度的混合效率指标,对S型微通道流场进行了数值计算,研究考察了进口浓度、进口速度对混合效率的影响,同时计算分析了样本液和参考液在进口的速度差异对混合效率的影响。研究、比较了弯曲微通道几个特征截面的混合特性,并对导致不同截面浓度分布差异性的原因进行了探讨和分析。对三维构型微通道中的流体混合,提出了混合特性的比较方法。采用数值计算的方法,分别研究了入口速度对混合效率的影响及结构几何参数对混合效率的影响。在相同的基本参数下,对蛇形混合器和直线型及平面型混合器的混合效率进行了比较研究,为微混合器的设计提供了重要的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 微流控芯片技术
• 1.2 课题的研究背景和意义
• 1.3 微流体混合的系统设计
• 1.3.1 静态混合系统
• 1.3.2 动态混合系统
• 1.4 微通道构型的影响
• 1.5 微通道表面性质的影响
• 1.6 层流及扩散效应
• 1.7 本文的主要内容及创新点
• 参考文献
• 第二章 微流体力学的基础理论
• 2.1 微流体的力学问题
• 2.1.1 微电子机械系统概述
• 2.1.2 流体模型区域划分
• 2.1.3 流体力学连续模型
• 2.1.4 流体边界条件
• 2.1.5 基于分子的流动模型
• 2.2 流体的物质输送过程
• 2.2.1 物质输送类型
• 2.2.2 对流与迁移
• 2.2.3 扩散与分散
• 2.3 微通道对流扩散的基本方程和边界条件
• 2.3.1 分子扩散与菲克定律
• 2.3.2 微通道内对流扩散的控制方程
• 2.3.3 边界条件
• 2.4 微通道电渗流的基本方程和边界条件
• 2.4.1 高效毛细管电泳（HPCE）
• 2.4.2 微通道电渗流的控制方程
• 2.4.3 边界条件
• 参考文献
• 第三章 数值模拟方法及实验技术
• 3.1 数值模拟的有限差分法（FDM）
• 3.1.1 一阶导数的近似
• 3.1.2 二阶导数和混合导数的近似
• 3.1.3 边界条件
• 3.2 数值模拟的有限体积法（FVM）
• 3.2.1 面积分和体积分的近似
• 3.2.2 函数的插值
• 3.2.3 边界的处理
• 3.2.4 SIMPLE方法
• 3.3 微流控分析芯片的结构和加工特点
• 3.4 微流体的实验技术
• 3.4.1 微流体流速测试技术
• 3.4.2 微流体温度测试技术
• 参考文献
• 第四章 弯曲微通道中的分离问题研究
• 4.1 弯曲微通道中的电泳和分离
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 电渗流场
• 4.2.2 被动粒子运动的计算
• 4.3 优化法则
• 4.3.1 离散率和对称率
• 4.3.2 壁面电荷分布
• 4.3.3 优化参数
• 4.4 计算结果及讨论
• 4.5 结论
• 参考文献
• 第五章 弯曲微通道中流场的混合特性研究
• 5.1 微通道中流体的混合
• 5.2 微通道流场的控制方程和边界条件
• 5.3 流场的混合特性
• 5.4 S形微通道流场的数值模拟
• 5.5 不同情况下的混合特性研究
• 5.6 结论
• 参考文献
• 第六章 三维蛇形通道的混合特性研究
• 6.1 三维高效混合的基本考虑
• 6.2 三维微通道的构造
• 6.3 三维微通道混合的基本模型
• 6.3.1 蛇形混合器的数学模型
• 6.3.2 混合特性的比较方法
• 6.4 不同因素对混合效率的影响
• 6.4.1 入口速度对混合效率的影响
• 6.4.2 结构对混合效率的影响
• 6.4.3 和其它混合器的比较
• 6.5 结论
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 今后工作展望
• 附录
• 致谢