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环境监测芯片内微槽道流动稳定性研究

郑敬茹  
【摘要】: 环境监测芯片由于其准确、经济、高效、快速等突出优点,成为环境监测领域的研究新热点。本文讨论了监测芯片微槽道内流动及其稳定性问题,重点考虑了微尺度效应如表观黏性系数和边界滑移及黏性分层对流动稳定性的影响。 本文首先讨论了黏性修正和边界滑移对微槽道流动稳定性的影响。用表观黏性代替液体的黏性,采用Navier边界条件模拟边界滑移。结果显示:当只考虑表观黏性系数修正时,由于靠近壁面处流体分子运动受阻,流速分布曲线上出现拐点,导致流动的临界雷诺数小于传统值,流动更容易失稳;相反,边界滑移则增加了平均流的丰满程度,使流动更加稳定;同时考虑黏性修正和边界滑移时,当黏性修正模型参数n和ξ较大时,边界滑移的影响会被大大地减弱。进一步研究了上下壁面材料不同时对流动稳定性的影响。当上下壁面滑移长度不同时,流动的临界雷诺数比相同滑移长度(取大的滑移长度)时的临界雷诺数大,不稳定区域的波数范围也比相同滑移长度时宽。 第二部分讨论了微槽道内黏性分层流的不稳定性问题。使用断面模型模拟液-液界面,滑移条件采用Navier边界,重点讨论了黏性比、表面张力、重力参数和界面位置等因素对流动稳定性的影响。可以看出:界面的位置和黏性比对流动稳定性影响最大。考虑边界滑移后,发现上下壁面滑移相同时临界雷诺数比较大;只有上壁面有滑移时,流动比上下无滑移时更容易失稳。为了与断面模型相区分,又假定两层流体界面处存在一层液膜,液膜内流体的性质是连续变化的。边界滑移依然用Navier边界,主要讨论了界面位置及黏性比对流动稳定性的影响。最后,又对两个模型的计算结果做了对比,结果显示:两种模型的差别不是很大,只有当p很大或很小时,两个模型的差别才显现,界面位置向上壁面移动时,断面模型先失稳,而界面位置向下壁面移动时,单膜模型先失稳。 计算均采用Chebyshev配置点法。模拟的结果为今后环境监测芯片研究打下了坚实的理论基础。


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