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固壁有速度滑移的微流控系统电动流动研究

王蕾  
【摘要】:微流动控制是实现和优化微流控芯片系统功能的关键。深刻了解液体在微流控芯片中的流动原理和特殊现象,才能有效控制液体在微系统中流动和实现各种生化分析功能。微尺度下的流动现象与宏观系统不同,如尺寸效应,液固界面双电层,多物理场耦合,壁面滑移等对微流控系统流动有重要的影响。本文研究重点是对壁面速度滑移与动电效应同时存在时的,微系统电动流现象进行理论与数值研究。论文还探讨异质材料(聚合物PDMS和玻璃)微通道电动流动特性。论文进行了如下几方面的研究: (1)论文从理论和数值两方面研究壁面速度滑移对PDMS微通道电动流动的影响。在固壁滑移和双电层共同作用时,采用泊松-波兹曼方程(Poisson-Boltzmann)的解析解和拉斯特-普郎克方程(Poisson-Nernst-Planck)的数值解对定常压差驱动下的二维微通道液体流动特性做了比较分析,研究结果表明,双电层的电粘性效应会降低微通道的流动速度、流量和流动-感应电场。固壁滑移会增加微通道流动速度,并放大双电层的电黏性效应。在固壁无滑移,或不考虑电粘性时,泊松-波兹曼方程的解析解(速度,流量和电场)和拉斯特-普郎克方程的数值解完全一致。由于泊松-波兹曼方程和拉斯特-普郎克方程的物理含义有一定差别,在壁面滑移是,拉斯特-普郎克的数值速度解比泊松-波兹曼方程的解析解小。随着滑移长度,电粘性系数的增加,两者的差异越发明显。 (2)论文研究了同时有壁面滑移和电粘性效应的微通道电动流动。研究发现,它们对二维PDMS-玻璃微通道的压差流动有三方面影响。壁面滑移会增大流动速度,放大流动-感应电场,降低了微流动的粘度比。双电层的电粘性效应则减缓流动速度,减少流量。当微通道深度和双电层厚度之比κH值增加时,电粘性效应将变得重要。在一定的κH值附近,电粘性效应最明显。而当κH值达到很大(或很小),电粘性效应下降。 (3)论文研究了PDMS-玻璃矩形微通道的定常压差流动,分析壁面滑移与电动效应对微通道电动流的影响。壁面滑移速度会增大流速、流量,电粘性效应反之。微通道材料的差异会导致电动流特性的改变。论文给出,在壁面滑移和电动效应的作用下,不同长宽比的矩形微通道壁面滑移速度特性。 (4)论文研究PDMS微通道的周期压差流动特性,结果表明,周期动电流和流动-感应电场取决于以下四个参数:电粘性系数、频率雷诺数、壁面滑移系数、动电半径。周期流动行为以及电粘性效应强烈依赖频率雷诺数。频率雷诺数小于1时,周期压力驱动下的流速和流动感应电场特性与定常压力驱动下的流动相似。频率雷诺数大于1时,流速和流动-感应电场随频率雷诺数的增加而快速减小。对于小动电半径,电粘性效应对周期流以及流动感应电场的影响很大。另外壁面速度滑移起到增加流速与放大流动-感应电场的作用,但对相位差角的影响很小。


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