電滲驅(qū)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS: microelctromechanical systems)的研究已經(jīng)引起越來越多的關(guān)注，隨著尺度的減小，面積/體積之比呈增大趨勢，尤其是尺度達(dá)到微/納米時(shí)，界面上的物理化學(xué)特性逐漸增大為影響體系的主要因素.對于流體而言，宏觀狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)方式，譬如壓力驅(qū)動(dòng)已經(jīng)退居其次，利用界面特性驅(qū)動(dòng)是微/納流體研究的熱點(diǎn).利用電滲(electroosmosis)現(xiàn)象進(jìn)行液體驅(qū)動(dòng)，就是在這種背景下提出來的。 電滲驅(qū)動(dòng)是利

2、用固液界面上極性液體一側(cè)，非電中性薄層的電特性驅(qū)動(dòng)液體。即，當(dāng)極性/電解質(zhì)溶液固體表面相接觸時(shí)，由于兩種介質(zhì)的能量不同，會造成界面的固體一側(cè)產(chǎn)生壁面電荷；同時(shí)由于同性相吸異性相斥的電特性，在約1至10nm的界面區(qū)形成非電中性的液體；若沿界面的切向存在電場，這薄層液體就首先定向運(yùn)動(dòng)起來，通過黏性帶動(dòng)整個(gè)溶液運(yùn)動(dòng)，與體溶液(bulk fluid)的驅(qū)動(dòng)相比，它改變了宏觀液體驅(qū)動(dòng)以體積力為主的傳統(tǒng)方法，是用“壁”進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，表/體比越大，驅(qū)動(dòng)越

3、強(qiáng)勁。 本學(xué)位論文中詳細(xì)敘述了微尺度下電滲控制方程：Laplace方程、Poisson-Boltzmann方程和不可壓縮牛頓流Navier-Stokes方程的建立過程，在對無網(wǎng)格法總結(jié)的基礎(chǔ)上，本文發(fā)展了基于固定再生核法(FRKM: fixed reproducing kernel method)的有限云法(FCM: finitecloud method)作為函數(shù)的空間離散方法，對這組非線性方程組進(jìn)行數(shù)值求解，并研制了相應(yīng)算法程

4、序.用基再生條件構(gòu)造形函數(shù)，使得當(dāng)基向量能夠反映未知函數(shù)空間特性時(shí)，只需構(gòu)造一次形函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)，不用針對不同控制方程分別構(gòu)造，節(jié)省了大量計(jì)算資源.對Poisson-Boltzmann方程利用泰勒展開式構(gòu)造非線性迭代算法，對不可壓縮牛頓流Navier-Stokes方程用速度、壓力解偶的投影法，首次把modified Chorin-Teman、Van Kan、rotationalincremental pressure-correction

5、三種投影法與有限云法相結(jié)合，從而提高數(shù)值計(jì)算效率和計(jì)算精度。在把空間離散后的未知函數(shù)帶入經(jīng)過處理的控制方程時(shí)遵循配點(diǎn)原則，得到未知函數(shù)的強(qiáng)解，使得物理意義更加清晰。在數(shù)值實(shí)現(xiàn)方面，用C++和Matlab C++數(shù)學(xué)庫相結(jié)合，從而使兩者優(yōu)勢互補(bǔ)。 利用上述數(shù)值方法完成了微通道的電滲流體動(dòng)力學(xué)的求解，討論了直通道一致zeta電勢下的電滲流型、驅(qū)動(dòng)過程和承載能力.從速度的剖面圖可知，無載時(shí)電滲的流型是塞流；有載時(shí)流場是電滲驅(qū)動(dòng)與壓力反

6、向驅(qū)動(dòng)的疊加，流型呈中間凹的形狀；在驅(qū)動(dòng)過程中，通道中央流體呈現(xiàn)粘性特性，即非塞流.外加垂直電勢和zeta電勢對流速的影響是線形的，無載時(shí)流速與管徑或通道寬度無關(guān)；理論分析表明pH值和溶液濃度通過改變zeta電勢，進(jìn)而對流速施加影響.通過模擬可知，微米級通道(管)中電滲的驅(qū)動(dòng)時(shí)間是毫秒級.雙電層厚度、zeta電勢和外加垂直電勢梯度不改變電滲驅(qū)動(dòng)的時(shí)間，但是通道寬度的平方與驅(qū)動(dòng)時(shí)間成正比.有載時(shí)，驅(qū)動(dòng)時(shí)間約幾十微秒；但載荷的值不影響流場達(dá)

7、到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，譬如：背壓梯度0.1atm·mm-1時(shí)和0.15 atm·mm-1時(shí)，驅(qū)動(dòng)時(shí)間一致.有主動(dòng)力的區(qū)域，流體達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間少于只有慣性力的區(qū)域.承載(承受背壓)以后，管(通道)中央速度下降，速度的降幅與管徑(通道寬度)的平方成正比，表明承載能力與管徑(通道寬度)平方成反比，這充分體現(xiàn)了電滲驅(qū)動(dòng)隨尺度的減小，表面積體積比的增大而增強(qiáng)，基于以上的理論研究成果，設(shè)計(jì)、制造了微米通道電滲流微泵。 為了利用電滲流實(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)的混合

8、，論文在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，提出了壁面電荷的主動(dòng)設(shè)計(jì)概念.數(shù)值計(jì)算表明，直通道交錯(cuò)zeta電勢驅(qū)動(dòng)能夠產(chǎn)生渦流，其中每個(gè)渦的方向由壁面處的電滲驅(qū)動(dòng)力決定.即，對于上壁面而言，若驅(qū)動(dòng)力向右，則渦的方向瞬時(shí)針；若驅(qū)動(dòng)力向左，則渦的方向逆時(shí)針。對下壁面而言，則完全相反。雙電層厚度對電滲驅(qū)動(dòng)力的區(qū)域大小產(chǎn)生明顯影響，當(dāng)雙電層厚度減小時(shí)，壁面附近切向速度在法向上的梯度發(fā)生很大變化，而各個(gè)渦的尺寸大幅度減??；zeta電勢單元的長度對渦的尺寸也有顯著影

9、響，當(dāng)單元長度減小時(shí)，渦的規(guī)模以更大的幅度減小，位置更接近璧面.從渦規(guī)模角度而言，單元長度相對于雙電層厚度更重要。壓力驅(qū)動(dòng)只能在遠(yuǎn)離壁面處占優(yōu)，壁面處占優(yōu)的是電滲驅(qū)動(dòng)，故壓力不能消除由與其方向相反的電滲驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的渦.甚至在雙電層厚度減小時(shí)，壓力不能消除與其方向相同的電滲驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的渦.璧面滑移對渦街的形態(tài)結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)性影響。 論文還討論了作為微流控系統(tǒng)(μTAS: micro-Total Analysis System)進(jìn)樣、分

10、離、輸運(yùn)部分的十字、T和L型通道中的流場，為它們的設(shè)計(jì)提供了可參考數(shù)據(jù)。通過數(shù)值模擬，解釋了利用外加電勢能夠方便有效地控制通道中液體的流動(dòng)，并且，其有良好的“后天”性，即在設(shè)計(jì)時(shí)只要考慮是否布置電極，應(yīng)用時(shí)根據(jù)需要施加不同種電勢就能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)流動(dòng)狀態(tài)，如：在十字和T型通道中改變電勢的大小就能夠輕松實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣和分離兩個(gè)過程，另外，在L型通道中雖然存在90度的轉(zhuǎn)彎，并沒有對流型和流速產(chǎn)生顯著影響.這種流動(dòng)不“變形”的特性相較于壓力驅(qū)動(dòng)有明顯優(yōu)