雙電層影響下的微通道分層流動(dòng)及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS中的微流體系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)分析、臨床檢測(cè)及微電子等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。微流體力學(xué)研究特征尺度為微米的流體運(yùn)動(dòng)。與宏觀系統(tǒng)不同，表面效應(yīng)如雙電層(Electrical Double Layer)成為微流動(dòng)主要控制因素。本文以雙電層效應(yīng)為核心，首次建立了考慮雙電層和壁面滑移聯(lián)合影響下的單相流平均流場(chǎng)解析解和考慮雙電層影響下的分層流平均流場(chǎng)解析解，重點(diǎn)研究了雙電層影響下的單相流和分層微流動(dòng)平均流與其穩(wěn)定性，主要得到了以下結(jié)論

2、：
　　 (1)雙電層使速度在壁面附近產(chǎn)生回流，通道越窄，則雙電層效應(yīng)越強(qiáng)，對(duì)流動(dòng)的抑制作用也越強(qiáng)，回流越顯著。將雙電層與邊界滑移的效應(yīng)疊加，回流促使邊界滑移速度指向流動(dòng)相反方向，滑移加強(qiáng)了雙電層對(duì)流動(dòng)的抑制作用。將雙電層、邊界滑移和表觀黏性修正三者疊加，滑移現(xiàn)象受雙電層和表觀黏性的耦合效應(yīng)影響。若雙電層效應(yīng)強(qiáng)，滑移速度指向流動(dòng)相反方向。若表觀黏性效應(yīng)強(qiáng)，則邊界滑移被弱化，平均流有拐點(diǎn)出現(xiàn)。
　　 (2)雙電層的效應(yīng)越強(qiáng)

3、，則系統(tǒng)的臨界雷諾數(shù)越小，臨界波數(shù)越大，流動(dòng)越易失穩(wěn)。將雙電層與邊界滑移疊加，臨界雷諾數(shù)比單獨(dú)考慮雙電層時(shí)小，邊界滑移強(qiáng)化了雙電層的作用。將表觀黏性與邊界滑移效應(yīng)疊加，當(dāng)表觀黏性效應(yīng)較強(qiáng)時(shí)，滑移對(duì)臨界雷諾數(shù)的影響很小，不能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將雙電層、邊界滑移和表觀黏性修正三者疊加，雙電層和表觀黏性均能減小系統(tǒng)臨界雷諾數(shù)。邊界滑移受雙電層和表觀黏性的耦合影響較為復(fù)雜。若雙電層效應(yīng)強(qiáng)，則滑移速度指向流動(dòng)相反方向，”滑移協(xié)同雙電層效應(yīng)使流動(dòng)穩(wěn)

4、定性減弱。若表觀黏性效應(yīng)強(qiáng)，則邊界滑移的影響被弱化，表觀黏性引起的平均流拐點(diǎn)，也將減小臨界雷諾數(shù)。
　　 (3)在去離子溶液和離子溶液構(gòu)成的分層流系統(tǒng)中，離子溶液的雙電層越強(qiáng)，則對(duì)流動(dòng)的抑制作用越大，離子溶液一側(cè)回流現(xiàn)象越顯著。若兩層液體均為離子溶液，則通道的兩側(cè)都形成雙電層，共同對(duì)流動(dòng)起抑制作用。雙電層效應(yīng)越強(qiáng)，則兩側(cè)回流越強(qiáng)，且黏性較小的一側(cè)流體回流量大。兩層流體的Zeta電勢(shì)比值越大，上層流速受抑制的程度越高。