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毛细管电泳通道中的弯道效应及其消除

聂德明  
【摘要】:首先,本文首次建立了槽流中对流扩散运动的格子Boltzmann模型,对LBM中的速度边界条件、浓度边界条件进行了初步的探索。为更好地满足速度无滑移条件,对标准的壁面反弹边界条件进行了改进,提高了计算精度。此外,本文利用该模型分别对槽流中的纯扩散和对流扩散进行了数值模拟,所得结果与Taylor-Aris扩散理论相符。 其次,本文对毛细管电泳分离中的主要的流体驱动方式—电渗驱动进行了深入地研究,建立了完整的电渗流数学模型,并采用涡量-流函数方法求解流场。对直槽道和180度弯槽道中的电渗流型及影响参数进行了分析。 最后,文章综合分析了引起弯道效应的诸多因素,对几种消除弯道效应的方法进行了比较。为了克服这些方法的不足之处,本文提供了一种新的消除弯道效应的方法,即通过改变弯道内外壁面上的ζ电势分布来改变速度分布,通过速度差异来平衡迁移长度的差异,进而克服弯道效应。同时,本文建立了描述弯道效应的数学模型,将样品的对流扩散运动替代为跟随粒子的对流运动,通过粒子分布的离散性和对称性双方面来定量描述弯道效应,并在此基础上给出了弯道上ζ电势分布的最优化准则,希望从最大程度上消除由于弯道而带入的负面影响。数值结果表明通过最优化设计能够消除90%左右的弯道效应,同时采用文中的模型对前人提出的消除方法进行了验证,进一步说明了模型的有效性。


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