微通道內(nèi)變電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電滲流及其混合數(shù)值模擬.pdf

1、微流控芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)分析實(shí)驗(yàn)室功能的集成化,具有良好的應(yīng)用前景,已經(jīng)成為當(dāng)今MEMS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。流體在微通道內(nèi)傳輸和混合作為微流控芯片中的兩個(gè)重要操作過(guò)程,將直接影響微流控芯片的性能。本文在分析了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,將交變電場(chǎng)作為微通道中流體的驅(qū)動(dòng)力,以數(shù)值模擬方法為手段,系統(tǒng)地研究了交變電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)的電滲流及微混合。
　　 本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 1.從微流體流動(dòng)中的動(dòng)電現(xiàn)象出發(fā),研究了雙電層及電滲

2、流形成的機(jī)理,分析了電滲流相關(guān)物理場(chǎng)及其控制方程。在Debye-Hückel近似的條件下,求解了二維光滑微通道中雙電層電勢(shì)分布和電滲流速度的解析解,將解析解與數(shù)值解進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了基于有限元法的COMSOL Multiphysics數(shù)值解的可靠性。
　　 2.基于有限元法,采用COMSOL Multiphysics模擬了二維光滑微通道內(nèi)交變電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電滲流,討論了電場(chǎng)頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度、溶液濃度和微通道高度等因素對(duì)電滲流的影響。結(jié)果

3、表明,交變電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電滲流速度分布呈“波浪狀”,速度變化與電場(chǎng)變化不同步,隨著電場(chǎng)頻率的增大,“波浪狀”速度流型更為明顯,并且雙電層滑移速度減小,尤其當(dāng)電場(chǎng)頻率大于3000Hz時(shí),雙電層滑移速度迅速下降,說(shuō)明高頻交變電場(chǎng)對(duì)微通道內(nèi)流體的驅(qū)動(dòng)效果降低；電滲流速度和雙電層滑移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,隨溶液濃度的增大而非線性地減??；溶液濃度和微通道高度的增大使雙電層厚度相對(duì)變薄,“波浪狀”速度流型的波峰更加尖銳。因此,可通過(guò)改變以上因素實(shí)現(xiàn)對(duì)電滲

4、流速度和流型的控制,這為微通道內(nèi)交變電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電滲流精確控制提供了理論參考。
　　 3.對(duì)二維親／疏水微通道內(nèi)交變電場(chǎng)電滲流進(jìn)行了模擬,研究表明,與親水微通道不同,疏水微通道中由于壁面存在滑移速度,電滲流速度和雙電層滑移速度明顯增大,且與滑移長(zhǎng)度成正比；疏水微通道中,雙電層滑移速度隨溶液濃度的增大先減小后增大,因?yàn)楫?dāng)溶液濃度大于10-4mol／L時(shí),邊界滑移速度的增大成為影響雙電層滑移速度的主要因素。以上研究成果使得對(duì)電滲流的研究

5、更加全面。
　　 4.提出了一種主動(dòng)式增強(qiáng)微通道內(nèi)流體混合的方法,并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,討論了交變電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)頻率、電極對(duì)數(shù)和電極極性等對(duì)微混合的影響。結(jié)果顯示,垂直于微通道軸向的交變電場(chǎng)能夠有效地誘發(fā)混沌流,提高微通道內(nèi)流體混合效率；隨著電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)頻率的增大,混合效率總體呈增大趨勢(shì),當(dāng)頻率在4～8Hz時(shí),微通道出口處混合效率不穩(wěn)定,有較大波動(dòng)；隨著微通道壁面電極對(duì)數(shù)量的增加,混合效率先減小后增大；相比于電極極性相同時(shí)