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微流控芯片中多物理场耦合问题的数值模拟研究

2020-11-22阅读(612)

微流控芯片中多物理场耦合问题的数值模拟研究

论文摘要

针对微流控芯片中存在的多物理场耦合问题,本文采用计算机数值模拟技术对微流道中流体输送现象进行了深入研究。在总结分析微流道动电力学效应形成机理的基础上,研究了双电层和电渗流场/压力驱动流场的耦合模型。基于有限控制容积法推导了非线性偏微分方程的离散方程,开发了数值模拟软件。数值模拟研究了动电效应下,流道深宽比、液力直径、溶液性质和外加压力梯度等因素对压力驱动流的影响,得到了流量、平均速度、流动电势和摩擦系数与各影响因素之间的拟合曲线,给出了实用的拟合公式;数值模拟研究了各影响因素对稳态电渗流的影响,得到了电渗流的流量和平均速度与各影响因素之间的拟合曲线和公式;研究了微尺度下非稳态电渗流的流动机理,分析了电渗流从瞬态到稳态的动量传递过程以及电渗流到达稳态所需的时间。PDMS是当前应用最多的微流控芯片材料之一,针对其热导率低的特点,对外加电场产生的焦耳热效应进行了研究,在建模时利用合理的推导将耦合方程解耦后,进行了数值求解,然后对聚合物和玻璃两种不同材料制成的微流道中的焦耳热现象进行了对比,并数值模拟了流道尺寸和电解质溶液浓度对焦耳热的影响。本文的研究成果充实了微尺度下的动电力学理论,可用于指导压力驱动泵、电渗泵和微流控芯片的设计,优化其设计参数。

论文目录

  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题的提出及意义
  • 1.2 微流控国内外研究现状
  • 1.2.1 微流控国外研究现状
  • 1.2.2 微流控国内研究现状
  • 1.3 微流控芯片的结构特征和特点
  • 1.4 微流控中流体的驱动和控制技术
  • 1.4.1 微流体驱动系统分类
  • 1.4.2 微流体电渗（Electroosmosis）驱动系统
  • 1.4.3 重力（流体静压力）驱动系统
  • 1.4.4 微流体力学中的基本问题
  • 1.5 国内外电渗/压力驱动流的研究现状
  • 1.5.1 国外电渗/压力驱动流的研究现状
  • 1.5.2 国内电渗/压力驱动流研究现状
  • 1.5.3 存在问题
  • 1.6 本文的研究内容及技术路线
  • 第2章 微流控中的动电力学理论
  • 2.1 微流控中的动电现象
  • 2.2 双电层的形成机制
  • 2.2.1 界面带电机理
  • 2.2.2 界面双电层的形成机理
  • 2.3 双电层模型
  • 2.4 微流道中的电渗流
  • 2.4.1 电渗流的形成机理
  • 2.4.2 电渗流的动量控制方程
  • 2.5 假设和近似
  • 2.6 本章小结
  • 第3章 有限控制容积离散化方程研究
  • 3.1 微分方程的离散化
  • 3.2 通用微分方程
  • 3.3 Poisson-Boltzmann方程的离散化方程
  • 3.4 非稳态Navier-Stokes方程的离散化方程
  • 3.4.1 通用离散化方程
  • 3.4.2 显式和全隐式
  • 3.4.3 全隐式离散化方程
  • 3.5 仿真程序的验证
  • 3.6 数值求解Poisson-Boltzmann方程
  • 3.7 模拟结果和讨论
  • 3.8 本章小结
  • 第4章 微流道内动电效应对压力驱动流的影响
  • 4.1 数学模型
  • 4.1.1 微流道中的流场
  • 4.1.2 微流道中的感应动电场
  • 4.1.3 无量纲 Navier-Stokes 方程
  • 4.2 数值求解和讨论
  • 4.2.1 动电效应对速度的影响
  • 4.2.2 平均速度和流量
  • 4.2.3 流动电势
  • 4.2.4 摩擦系数
  • 4.3 模拟结果的试验对比
  • 4.3.1 速度图形
  • 4.3.2 压力梯度与雷诺数之间的关系
  • 4.3.3 动电效应对摩擦系数的影响
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 微流道内电渗流影响因素的数值模拟研究
  • 5.1 稳态情况下电渗流影响因素的数值模拟研究
  • 5.1.1 深宽比效应
  • 5.1.2 液力直径效应
  • 5.1.3 电解质溶液浓度效应
  • 5.1.4 外加电场强度效应
  • 5.2 非稳态情况下电渗流影响因素的数值模拟研究
  • 5.2.1 深宽比效应
  • 5.2.2 液力直径效应
  • 5.2.3 电解质溶液浓度效应
  • 5.2.4 外加电场强度效应
  • 5.3 不同ζ电势的稳态电渗流
  • 5.4 本章小结
  • 第6章 电渗流道中焦耳热效应的数值模拟研究
  • 6.1 微流控芯片的材料
  • 6.2 数学模型
  • 6.2.1 模拟区域
  • 6.2.2 电势场控制方程
  • 6.2.3 流场控制方程
  • 6.2.4 固-液耦合热传控制方程
  • 6.2.5 模型简化及边界条件
  • 6.3 模拟结果及分析
  • 6.3.1 流道材料影响
  • 6.3.2 流道深宽比的影响
  • 6.3.3 流道液力直径的影响
  • 6.3.4 电解质溶液浓度的影响
  • 6.3.5 外加电场强度的影响
  • 6.4 本章小结
  • 第7章 全文总结
  • 7.1 研究工作总结
  • 7.2 创新点
  • 7.3 今后研究工作的展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻博期间发表的学术论文及其它成果
  • 摘要
  • ABSTRACT

    • 相关论文文献

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