圓形微通道內(nèi)壓力驅(qū)動流有限元數(shù)值模擬.pdf

1、微流控芯片以微通道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征,依靠流體的流動實現(xiàn)微通道內(nèi)樣品的輸運以及樣品的采樣、混合與分離、反應(yīng)與檢測等過程,其關(guān)鍵問題是實現(xiàn)微流體的精確操控。本文針對微尺度下流體流動存在的邊界滑移效應(yīng)、動電效應(yīng)等問題,從流體力學(xué)基本方程出發(fā),建立了微流動多物理場耦合的動電力學(xué)模型,基于有限元法數(shù)值模擬研究了圓形微通道內(nèi)壓力驅(qū)動流的流動電勢以及流動特性。論文的主要工作內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.在光滑圓形微通道中,采用 Nernst-Plan

2、ck方程耦合 Poisson方程和Navier-Stokes(NS)方程建立了描述微通道中雙電層電位與離子分布的Poisson-Nernst-Planck(PNP)模型,應(yīng)用多物理場有限元軟件 COMSOL Mul-tiphysics求解模型控制方程,得到了微通道中雙電層電位的數(shù)值解,對比分析了PNP模型和傳統(tǒng) Poisson-Boltzmann(PB)模型的雙電層電位分布。結(jié)果表明,當(dāng)微通道特征長度較小或溶液離子濃度較低時,離子不滿足

3、Boltzmann分布的假設(shè)條件,兩種模型的雙電層電位分布有較大偏差,與PB模型相比,PNP模型能更準(zhǔn)確地描述微通道中雙電層電位與離子分布。
　　2.以光滑圓形微通道為研究對象,基于PNP模型數(shù)值模擬了微通道內(nèi)的壓力驅(qū)動流,分析了微通道中的流動電勢及流體流動速度。結(jié)果表明,動電效應(yīng)對流動有阻滯作用而邊界滑移效應(yīng)對流動有促進(jìn)作用;隨著壓力梯度的增大或離子濃度的減小,流動電勢增大;隨著微通道特征長度的增大,流動電勢先是急劇增加然后逐漸

4、減小;微通道特征長度或溶液離子濃度越小,流動速度偏離理論值越大,動電效應(yīng)對流動的影響越明顯;低離子濃度溶液在較小特征長度微通道中流動會出現(xiàn)局部回流現(xiàn)象,其根本原因是流體剪切力方向發(fā)生了改變,考慮速度滑移時,邊界滑移效應(yīng)加劇了微通道壁面附近流體的回流,減小了微通道中的流動電勢,但同時也使微流動體積流量增加;無流體回流現(xiàn)象時,流動電勢和流動速度均隨著滑移系數(shù)的增大而增大,當(dāng)離子濃度較低時,對應(yīng)的壁面ζ電勢絕對值越大,邊界滑移效應(yīng)對流動速度和

5、流動電勢的影響不明顯。上述研究結(jié)果豐富了微尺度下壓力驅(qū)動流的基礎(chǔ)理論。
　　3.研究了圓形微擴(kuò)散管內(nèi)的壓力驅(qū)動流。研究結(jié)果表明,流動電勢沿著流動方向非線性增長,微流體擴(kuò)散方向流動時流動電勢最大值要大于收縮方向流動;微擴(kuò)散管的流動電勢隨著離子濃度的增大或擴(kuò)散角的增大而減小,而隨著兩端的壓力差的增大而增大;在相同的壓力差下,擴(kuò)散方向流動體積流量要大于收縮方向流動,由于動電效應(yīng)的作用,體積流量有所減小,尤其是離子濃度較低時,動電效應(yīng)越明

6、顯,體積流量大幅度減小,由于邊界滑移效應(yīng)的作用,體積流量有所增加;隨著離子濃度的減小或滑移系數(shù)的增大,流量效率略微增大;微擴(kuò)散管長度及擴(kuò)散角太大或太小均對流量效率不利。上述研究結(jié)果為進(jìn)一步提高微擴(kuò)散管流量和流量效率提供了參考依據(jù)。
　　4.采用典型粗糙元和隨機(jī)粗糙度建立了粗糙圓形微通道的物理模型,數(shù)值模擬研究了粗糙圓形微通道內(nèi)的壓力驅(qū)動流。研究結(jié)果表明,流動電勢隨著粗糙元個數(shù)及高度、寬度或相對粗糙度的增大而減小,隨著滑移系數(shù)的增大