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微流控系统流动—电场—离子运动多物理场耦合现象研究

龚磊  
【摘要】: 微通道液体流动是微流控芯片实现分析功能的重要前提。深入了解微流控芯片中液体流动特殊现象和内在规律,对微流控芯片的功能实现和优化设计有至关重要的作用。由于固—液界面双电层的存在,微通道液体流动呈现与宏观流动不同的特性,动电效应是其中最重要的流场-电场-离子运动多物理场耦合现象。本文旨在对微流控芯片内的流动动电效应进行初步的理论分析和数值研究,初步获得微通道液体流动的基本规律和特性,以指导新型高性能微流控芯片的研发和优化设计。 本文从双电层理论出发,结合流体动力学方程,详细研究了微流控芯片流动中的动电现象。总结双电层Poisson-Boltzmann方程三种简化求解方法,得到分别的适用范围:Debye-Hückel线性化适用于低表面Zeta电位势的情况;孤立平板近似适用于动电直径(微通道尺度与双电层厚度比值)比较大的情况下;双电层弱重叠近似则几乎适合所有情况。论文研究了微通道定常压差驱动液体流动中的流动电位势和电粘性效应。研究表明,微通道定常压差驱动流中,表面Zeta电位势以及动电直径均对电粘性效应有重要影响:随着表面Zeta电位势增加,电粘性效应增强;随着动电直径增加,电粘性效应减弱。研究结果表明,存在一个临界动电直径,当动电直径小于该值时,表观粘度与液体粘度之比随着动电直径的增加而增大,当动电直径大于该值后,表观粘度与液体粘度之比随着动电直径的增加而减小。 论文研究了微扩散管通道液体流动中的流场、流动电位势及电粘性效应。由于电粘性效应的存在,造成了通过微扩散管的液体流量减少。相同压差的情况下,收缩管流(微扩散管反方向流动)的流量损失百分比比扩散管流要略大。微扩散管通道内的流动电位势分布与规则直微通道不同。研究表明(1)沿着对称轴线流动电位势呈非线性增长,在截面小的端面处,流动电位势增长较快,截面宽的地方增长缓慢。(2)由于微扩散管通道流动中有径向的流动,存在径向的流动电位势。(3)收缩管流中的径向的流动电粘性效应增加了流动阻力,相反的是,扩散管流中的径向的流动电粘性效应减小了其流动阻力,因此二者流量损失百分比的差别随扩散角增加越来越大。 论文研究了微通道周期压差驱动液体流动中的流场、流动电位势及电粘性效应。研究发现,周期流动速度是频率雷诺数、电粘性数和动电直径这三个独立的无量纲参数的函数。随着频率雷诺数的增加,速度振幅快速衰减;电粘性数越大,电粘性效应越明显,速度振幅明显减小;动电直径越小,电粘性效应越明显,速度振幅越小。周期流动存在一个临界频率雷诺数,在频率雷诺数小于1时,周期流动电位势振幅随频率雷诺数变化很慢;在频率雷诺数大于1后,周期流动电位势振幅随频率雷诺数的增加而快速衰减。研究表明,周期流动中的电粘性力受三个因素的影响:(1)电粘性数,它表示定常流动时,通道最大电粘性力与压力梯度的比(2)形状函数,它表示电粘性力在通道横截面的分布形态(3)耦合系数,它表示电粘性力的振幅频率衰减特征和相位差。 论文最后研究了微通道表面外加电压调控双电层来控制电渗流的方法。研究结果显示,在一定的调控电压下,固-液界面Zeta电位的大小与溶液介电系数和微通道材料介电系数之比有关,但微通道厚度与双电层厚度之比的影响更大。随着调控电压的增加,固-液界面Zeta电位刚开始增长很快,但之后增长速率明显减缓。且Zeta电位并不随着调控电压的升高无限增长,而是逐渐趋近一个极限值。使用方波型调控电压,可实现微通道电渗流正向或反向流动。微通道上下壁面施加不同调控电压,可以实现通道内流体分层流动以及液体混合功能等。


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