固壁有速度滑移的微流控系統(tǒng)電動流動研究.pdf

1、微流動控制是實現(xiàn)和優(yōu)化微流控芯片系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。深刻了解液體在微流控芯片中的流動原理和特殊現(xiàn)象,才能有效控制液體在微系統(tǒng)中流動和實現(xiàn)各種生化分析功能。微尺度下的流動現(xiàn)象與宏觀系統(tǒng)不同,如尺寸效應(yīng),液固界面雙電層,多物理場耦合,壁面滑移等對微流控系統(tǒng)流動有重要的影響。本文研究重點是對壁面速度滑移與動電效應(yīng)同時存在時的,微系統(tǒng)電動流現(xiàn)象進行理論與數(shù)值研究。論文還探討異質(zhì)材料(聚合物PDMS和玻璃)微通道電動流動特性。論文進行了如下幾方面的研

2、究:
　　(1)論文從理論和數(shù)值兩方面研究壁面速度滑移對PDMS微通道電動流動的影響。在固壁滑移和雙電層共同作用時,采用泊松-波茲曼方程(Poisson-Boltzmann)的解析解和拉斯特-普郎克方程(Poisson-Nernst-Planck)的數(shù)值解對定常壓差驅(qū)動下的二維微通道液體流動特性做了比較分析,研究結(jié)果表明,雙電層的電粘性效應(yīng)會降低微通道的流動速度、流量和流動-感應(yīng)電場。固壁滑移會增加微通道流動速度,并放大雙電層的電

3、黏性效應(yīng)。在固壁無滑移,或不考慮電粘性時,泊松-波茲曼方程的解析解(速度,流量和電場)和拉斯特-普郎克方程的數(shù)值解完全一致。由于泊松-波茲曼方程和拉斯特-普郎克方程的物理含義有一定差別,在壁面滑移是,拉斯特-普郎克的數(shù)值速度解比泊松-波茲曼方程的解析解小。隨著滑移長度,電粘性系數(shù)的增加,兩者的差異越發(fā)明顯。
　　(2)論文研究了同時有壁面滑移和電粘性效應(yīng)的微通道電動流動。研究發(fā)現(xiàn),它們對二維PDMS-玻璃微通道的壓差流動有三方面影

4、響。壁面滑移會增大流動速度,放大流動-感應(yīng)電場,降低了微流動的粘度比。雙電層的電粘性效應(yīng)則減緩流動速度,減少流量。當微通道深度和雙電層厚度之比kH值增加時,電粘性效應(yīng)將變得重要。在一定的kH值附近,電粘性效應(yīng)最明顯。而當kH值達到很大(或很小),電粘性效應(yīng)下降。
　　(3)論文研究了PDMS-玻璃矩形微通道的定常壓差流動,分析壁面滑移與電動效應(yīng)對微通道電動流的影響。壁面滑移速度會增大流速、流量,電粘性效應(yīng)反之。微通道材料的差異會導

5、致電動流特性的改變。論文給出,在壁面滑移和電動效應(yīng)的作用下,不同長寬比的矩形微通道壁面滑移速度特性。
　　(4)論文研究PDMS微通道的周期壓差流動特性,結(jié)果表明,周期動電流和流動-感應(yīng)電場取決于以下四個參數(shù):電粘性系數(shù)、頻率雷諾數(shù)、壁面滑移系數(shù)、動電半徑。周期流動行為以及電粘性效應(yīng)強烈依賴頻率雷諾數(shù)。頻率雷諾數(shù)小于1時,周期壓力驅(qū)動下的流速和流動感應(yīng)電場特性與定常壓力驅(qū)動下的流動相似。頻率雷諾數(shù)大于1時,流速和流動-感應(yīng)電場隨頻