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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

张鹏  
【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。


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