基于PNP模型微通道电渗流数值模拟研究

论文摘要

微流控芯片将样品的前处理、化学反应、分离、检测等功能集中转移到一块几平方厘米的芯片上,体现了其微型化、集成化、自动化和简便化等特点,其中微流体的驱动与控制成为微流控芯片研究的核心问题。本文基于Poisson-Nernst-Planck数学模型,针对光滑表面平行板微通道,通过基础理论分析、数值模拟研究和实验验证相结合的方式研究了微通道内电渗流（Electroosmotic Flow,EOF）输运特性。本文的主要研究成果和创新点如下：1.深入了解了微流控系统的电动现象和电渗流形成机理,并通过对双电层模型的深刻理解,研究分析了Poisson-Boltzmann（PB）模型和Poisson-Nernst-Planck （PNP）模型多物理场特征,结合各物理场控制方程建立了PNP耦合数学模型,为EOF数值模拟研究奠定了理论基础。2.基于PNP和PB模型数值模拟相同物理条件及几何模型下微通道EOF输运特性。通过对比分析基于两种模型下微通道截面电势分布和电渗流速度分布,得到了低浓度溶液双电层中离子分布并不完全服从Boltzmann的结论,且PNP模型比PB模型能更准确的描述双电层内离子浓度分布,验证了PNP模型比PB模型更具普适性。3.运用电流监测法实时监测PMMA芯片微通道电渗流速度,对比分析了电渗流速度实验数据和基于PNP模型数值模拟数据,结果表明在实验和数值模拟中电渗流速度与溶液浓度及外加电场关系相同,验证了PNP模型的准确性。4.基于PNP模型数值模拟研究了光滑表面平行板微通道入口区域EOF输运特性,不同溶液浓度下微通道内离子浓度分布特性,系统研究了稳态下溶液浓度、微通道高度和外加电场强度对电渗流速度的影响。溶液浓度与电渗流速度非线性相关,高浓度溶液电渗流速度较小；微通道高度对稳态电渗流速度几乎没有影响；电渗流速度随着外加电场强度增大线性增长。推断出可通过对溶液浓度和外加电场强度的控制实现电渗流速度控制。5.基于PNP模型数值模拟研究了光滑表面平行板微通道上下壁面zeta电势不均等分布、微通道流向zeta电势阶状变化分布及通道流向zeta电势复杂分布下电渗流输运特性。研究结果表明微通道流向正负zeta电势交替阶状变化分布和通道流向zeta电势阶状变化与线性变化交替且交替处zeta值不连续分布下微通道内出现循环回流,并且后者的循环流比前者更强,推断出通道流向zeta电势阶状与线性交替变化分布且交替处zeta电势值出现正负值跳变的分布方式可有效增强微混合,因此在实际应用中可通过微通道表面改性处理方法改变通道表面zeta电势分布可实现增强微混合的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 微流控发展概述
• 1.2.1 国外发展概述
• 1.2.2 国内发展概述
• 1.3 电渗流研究现状
• 1.3.1 理论基础研究
• 1.3.2 数值模拟研究
• 1.3.3 实验检测研究
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 电渗流理论与数学模型
• 2.1 双电层模型
• 2.2 电渗流形成机理
• 2.3 Poisson-Boltzmann模型
• 2.3.1 基本假设
• 2.3.2 控制方程
• 2.3.3 边界条件
• 2.4 Poisson-Nernst-Planck模型
• 2.4.1 基本假设
• 2.4.2 控制方程
• 2.4.3 边界条件
• 2.5 数值模拟方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 微通道电渗流数值模拟研究
• 3.1 基于PNP模型与PB模型电渗流数值模拟研究
• 3.2 微流动Poisson-Nernst-Planck模型实验验证
• 3.2.1 微流控芯片
• 3.2.2 电渗流速度监测系统
• 3.2.3 电渗流速度监测实验
• 3.2.4 实验结果分析
• 3.2.5 实验结果与数值模拟对比验证
• 3.3 基于PNP模型微通道电渗流数值模拟
• 3.3.1 微通道入口EOF速度变化
• 3.3.2 微通道离子浓度分布
• 3.3.3 溶液浓度对电渗流的影响
• 3.3.4 通道高度对电渗流的影响
• 3.3.5 电场强度对电渗流的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 微通道zeta电势不均匀分布电渗流数值模拟研究
• 4.1 微通道上下壁面zeta电势不均匀分布下EOF数值模拟
• 4.2 微通道流向zeta电势阶状变化分布下EOF数值模拟
• 4.2.1 基于PNP和PB模型数值模拟对比分析
• 4.2.2 微通道流向zeta电势阶状变化分布下轴向压力分布
• 4.2.3 微通道流向zeta电势阶状变化分布下EOF输运特性
• 4.3 微通道流向zeta电势复杂分布下EOF输运特性
• 4.3.1 微通道流向zeta电势线性变化分布下EOF输运特性
• 4.3.2 微通道流向zeta电势阶状变化分布下EOF输运特性
• 4.3.3 微通道流向zeta电势复杂分布下EOF输运特性
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果