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《哈尔滨工业大学》 2009年
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电动效应作用下微通道内液体流动特性

赵亮  
【摘要】:随着微流体机械和微全分析系统的迅速发展,微通道得到了广泛的应用。例如微电子器件的冷却、基于微流动的MEMS设备、微执行器、微型泵、微型混合器、微型阀和芯片实验室等。微通道内的流体流动和热传递已经成为一个重要的研究领域,对微通道内的流体流动和热传递性质的研究,对这些微小型设备的优化设计十分重要。 电动效应使得微通道内的流动和热传递受通道尺寸和流体性质的影响存在反常特性,产生电动效应的主要原因是微通道壁面存在双电层。因为水分子为极性分子,凡是和水溶解接触的表面一般都会产生静电荷,在微通道表面的电荷会使溶液中的阴、阳离子重新分布,导致了双电层的形成。当电动效应对流动所产生的作用力与传统的驱动力在一个数量级上,那么电动效应就不能被忽略。 本文通过数值求解描述壁面电势分布的Possion方程,控制离子分布的Nernst-Planck方程和增加了电动效应源项的动量方程与能量方程,研究了在电动效应作用下,微通道内液体的流动特性、热传递特性以及电动效应在微混合、粒子分离和微执行器等方面的应用。主要工作包括以下五个方面: 1.研究了微通道壁面双电层交叠时,电动效应对微通道内压力驱动流发展段的影响,分析了壁面双电层对微通道内流体的速度场,温度场,压力梯度及水力摩擦因子的影响,指出流动电势是影响电动效应作用下微通道内压力驱动流流动特性的主要因素。 2.分别采用Boltzmann方程和Nernst-Planck方程描述离子分布,研究了平行平板微通道电渗流入口段的流动特性,分析了雷诺数、κh值和外加电场对微通道电渗流的影响。研究了辐射对电渗流流动的影响,给出在不同辐射热流密度和介质吸收系数情况下,微通道内流体的温升。系统地分析了开口和闭口微通道电渗流的熵产,讨论了导热熵产、粘性耗散熵产和焦耳热熵产之间的关系。从强化换热和提高系统能量转换效率的角度来说,应该选择较小的外加电场强度。 3.提出了采用施加横向电场和利用闭口微通道电渗流的环流特性来提高微通道内混合效率的方法。研究了外加电场强度、微通道高度和电极对密度对微混合的影响,指出微通道高度越小,电极对密度越大越有利于混合。分析了焦耳热和微通道内温度梯度对微混合的影响。 4.采用拉格朗日轨迹追踪法,数值模拟了在不同电场作用下,具有不同电泳淌度的粒子在微通道内的运动情况,给出粒子分离效率随外加横向电场强度和粒子电泳淌度的变化规律。 5.基于利用闭口微通道结构作为微执行器使用的应用背景,分析了在不同微通道高度,不同外加电场强度,不同壁面zeta电势和不同对流换热系数情况下,焦耳热对闭口微通道电渗流流动特性的影响。研究了等温边界条件和对流边界条件情况下,焦耳热对闭口微通道电渗流流动特性的影响。指出在等温边界条件下,考虑焦耳热时的诱导压力梯度比不考虑焦耳热时的诱导压力梯度小。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TK124

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