微通道中流体扩散和混合机理及其微混合器的研究

论文题目: 微通道中流体扩散和混合机理及其微混合器的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 流体力学

作者: 王瑞金

导师: 林建忠

关键词: 微通道,扩散,混合,数值模拟

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文是以数值模拟为主对影响微通道中流体扩散和混合规律的因素进行研究,并在此基础上设计出高效率的微混合器。 首先,在介绍微通道在流体扩散和混合规律的应用背景和研究状况的基础上,利用流体力学的基本方程,对通道宽度在50-500微米的微通道中流体扩散和混合进行数值模拟和实验研究,模拟结果显示:Reynolds数对扩散具有决定性的影响,Reynolds数越大,扩散越小,混合越不充分。此外,T-sensor的结构参数对扩散的效率有很大影响,如扩散通道宽度小时扩散快,入流角度大时扩散快,弯曲通道的扩散和混合效果比直通道要好得多。扩散尺寸/通道深度(d/w)对扩散也有一定的影响,当(d/w)较大时,沿w的浓度分布明显为抛物线,此时上下壁面的影响是主要的;反之,当d/w较小时,沿d、w二个方向的速度分布都为抛物线,上下左右壁面影响都不可忽略。实验研究结果部分验证了数值模拟结果。 其次,在介绍和了解微混合器的原理和混沌混合理论的基础上,根据马蹄型混沌对流循环的理论设计了一种新型的螺旋式微混合器,为说明其混合效果,对不同组分流体在分合式微通道中的扩散和混合进行了数值模拟,结果发现在小Reynolds数下,由于流体分层增加了接触面积,大大加快了流体混合的速度,其混合效果不仅比直通道,而且比蛇形通道明显好。随着Reynolds数的增大,对流作用得到加强,分合式通道的混合效果与直通道相比提高更明显,但与蛇形通道相差无几,所得结果为微流芯片的被动式混合提供了一种新的形式。同时还设计了一种主动式磁性混合器,分析了影响其混合效果的主要因素。 第三,为了解和解决毛细管电泳通道接头带来的ζ势的变化和管径变化对毛细管电泳分离效率和采样的影响,分别利用流体力学的全N-S方程(把电场力考虑为体积力加到方程内),结合电势方程,对毛细管内的流场进行数值模拟,结果显示:在ζ势较小的情况下,由于速度剖面的内凹不明显,这时ζ和尺寸的增大对速度剖面的畸变影响不大,但是在ζ势较大的情况下,由于沿程反向压

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 微机电系统

1.2 生物芯片技术

1.3 课题背景和研究意义

1.4 微通道中流体混合的影响因素

1.5 小雷诺数下加速微器件中流体混合的方法

1.6 本文的主要内容

1.7 本文的主要创新点

参考文献

第二章 微流体力学基础

2.1 微流体力学的基本问题

2.2 微流体力学基本方程及其适用条件

2.3 边界条件

2.4 有限体积法(FVM)

2.5 格子Boltzmann方法(LBM)

2.6 微流控的实验技术

参考文献

第三章 微通道内流体扩散的数值模拟

3.1 微通道内对流扩散的基本方程和边界条件

3.2 横向扩散程度的衡量指标

3.3 二维微通道中横向扩散的数值模拟

3.4 二维微通道中横向扩散的实验研究

3.5 三维矩形微通道的横向扩散的数值模拟

3.6 弯曲通道中的横向扩散的数值模拟

3.7 总结

参考文献

第四章 微流混合器件的设计与模拟

4.1 微流混合器件的作用和要求

4.2 微混合器的分类

4.3 衡量混合效果的指标

4.4 混沌混合理论

4.5 螺旋式微混合器及其流场的数值模拟

4.6 磁性微混合器

4.7 总结

参考文献

第五章毛细管电泳通道接管对流动的影响

5.1 概述

5.2 电渗流的基本方程和边界条件

5.3 毛细管电泳通道接管对流扩散的理论研究

5.4 毛细管电泳通道接管流动的数值模拟

5.5 总结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 进一步的思考和今后工作展望

攻读学位期间发表的论文

鸣谢

发布时间: 2005-10-08

参考文献

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