非牛頓流體電動(dòng)力學(xué)外文文獻(xiàn)翻譯@中英文翻譯@外文翻譯

1、<p><b>　　論文翻譯</b></p><p><b>　　原文：</b></p><p>　　Electrokinetics of non-Newtonian fluids: A review</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p&g

2、t;　　This work presents a comprehensive review of electrokinetics pertaining to non-Newtonian fluids. The topic covers a broad range of non-Newtonian effects in electrokinetics, including electroosmosis of non-Newtonian f

3、luids, electrophoresis of particles in non-Newtonian fluids, streaming potential effect of non-Newtonian fluids and other related non-Newtonian effects in electrokinetics. Generally, the coupling between non-Newtonian hy

4、drodynamics and electrostatics not only complicates the electrok</p><p>　　1. Introduction</p><p>　　The recently growing interests in electrokinetic phenomena are triggered by their diverse appli

5、cations in microfluidic devices which could have the potential to revolutionize conventionalways of chemical analysis,medical diagnostics, material synthesis, drug screening and delivery aswell as environmental detection

6、 andmonitoring. The prevalent use of electrokinetic techniques in microfluidic devices is ascribed to their several distinctive advantages: (i) the devices are energized by electricityw</p><p>　　When a solid

7、 surface is brought into contact with an electrolyte solution, the solid surface obtains electrostatic charges. The presence of such surface charges causes redistribution of ions and then forms a charged diffuse layer in

8、 the electrolyte solution near the solid surface to naturalize the electric charges on solid surface. Such electrically nonneutral diffuse layer is usually dubbed electric double layer (EDL) which is responsible for two

9、categories of electrokinetic phenomena, (i) elec</p><p>　　Previous description of electrokinetics usually assumes Newtonian fluids with constant liquid viscosity, and most studies of electrokinetics in liter

10、ature adopt such assumption. But in reality, microfluidic devices are more frequently involved in analyzing and/or processing biofluids (such as solutions of blood, saliva, protein and DNA), polymeric solutions and collo

11、idal suspensions. These fluids cannot be treated as Newtonian fluids. Therefore, the characterization of hydrodynamics of such non-</p><p>　　2. Electroosmosis of non-Newtonian fluids</p><p>　　Th

12、e pioneering contribution to this field is probably attributed to Bello et al. [14] who experimentally measured an electroosmotic flow of a polymer (methyl cellulose) solution in a capillary. Their investigation showed t

13、hat the electroosmotic velocity of such polymer solution is much higher than that predicted with the classic Helmholtz–Smoluchowski velocity. It was then proposed that the shear-thinning induced by polymermolecules lower

14、s the effective fluid viscosity inside the EDL. About a de</p><p>　　However, the constitutive model for non-Newtonian fluids in abovementioned investigations is just an extreme case of the more general non-N

15、ewtonian Carreau fluid model. In comparison with the Newtonian fluid model, Carreau constitutive model includes five additional parameters and can describe the rheology of a wide range of non-Newtonian fluids. Under the

16、limit of zero shear rates, the commonly used power-lawmodelwould predict an infinitely large viscosity for shear-thinning fluids, while the C</p><p>　　Due to the nonlinear dependence of the dynamic viscosity

17、 on the rate of shear, equations governing electroosmotic flows of non-Newtonian fluids also become highly nonlinear and then most of theoretical analyses rely on either approximate solutions or numerical simulations. Ex

18、act solutions are valuable because they not only can provide physical insight into the studied phenomena, but also can serves as benchmarks for experimental, numerical and asymptotic analyses. An exact solution for elect

19、roos</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　where the Debye parameter κ is defined as κ = 1/λD = [2e2z 2n∞/(εkBT)]1/2 (wherein e is the charge of an electron, z is the ionic valence, n∞ is the

20、 bulk number concentration of ions, ε is the electric permittivity of the solution, kB is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature). The function G(υ,?) in Eq. (1) is defined as</p><p><b

21、>　?。?）</b></p><p>　　where 2F1[α1,α2;β1;z] denotes the Gauss' hypergeometric function [35]. us in Eq. (1) denotes the so-called Helmholtz–Smoluchowski velocity for power-law fluids and can be wri

22、tten as</p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　which was firstly derived by Zhao et al. [17] using an approximate method. The thickness of EDL on the channel wall is usually measured by the re

23、ciprocal of the Debye parameter (κ?1), so the nondimensional electrokinetic parameter κH = H/κ?1 characterizes the relative importance of the half channel height to the EDL thickness. Then for large values of electrokine

24、tic parameter κH (thin EDL or large channel), the Helmholtz–Smoluchowski velocity given by Eq. (3) signifies the constant bulk velocity</p><p>　　Inmicrofluidic pumping applications, the flow rate or average

25、velocity is usually an indicator of pump performance.With the above derived electroosmotic velocity in Eq. (1), the electroosmotic average velocity along the cross-section of channel can be sought as </p><p>

26、;<b>　?。?）</b></p><p>　　where 3F2[α1,α2,α3;β1,β2;z] represents one of the generalized hypergeometric functions [35]. It needs to be pointed out that all the hypergeometric functions presented in t

27、his review can be efficiently computed in commercially-available software, such as MATLab and Mathematica.</p><p><b>　　翻譯：</b></p><p>　　非牛頓流體電動(dòng)力學(xué)：回顧</p><p>　　摘要：本文對關(guān)于非牛頓

28、流體電動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了全面的回顧，涵蓋大量非牛頓流體電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，包括非牛頓流體的電滲、非牛頓流體的電泳、流動(dòng)的非牛頓流體的潛在影響以及其他電動(dòng)力學(xué)中的非牛頓流體影響。通常，非牛頓流體動(dòng)力學(xué)和靜電學(xué)之間的耦合不僅使電動(dòng)力學(xué)復(fù)雜化，而且使流體及顆粒速度非線性地依賴于外部電場和Zeta電位的強(qiáng)度。液體的剪切稀化性質(zhì)能夠提高電動(dòng)力現(xiàn)象，而液體剪切增稠性質(zhì)會導(dǎo)致的電動(dòng)效應(yīng)的降低。另外，未來的研究重點(diǎn)是非牛頓流體電動(dòng)力學(xué)的若干理論問題。</p&

29、gt;<p>　　關(guān)鍵詞：非牛頓電動(dòng)力學(xué)；非線性電動(dòng)力現(xiàn)象；電滲；電泳；粘電效應(yīng)；電流變液；微流控技術(shù)</p><p><b>　　1．引言</b></p><p>　　最近電動(dòng)力現(xiàn)象正被越來越關(guān)注。其原因是由于微流體裝置的多方面應(yīng)用而引發(fā)的。微流體裝置的多方面應(yīng)用可能會潛在地徹底改變對化學(xué)分析、醫(yī)療診斷、物質(zhì)合成、藥物篩選與輸送以及環(huán)境檢測與監(jiān)測的常規(guī)

30、方法。在電動(dòng)力技術(shù)中運(yùn)用微流體裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）該裝置由電力控制，因此具有較好的泛用性和可控性；（2）該裝置不含可移動(dòng)部件，因此發(fā)生機(jī)械故障的可能性較??；（3）該裝置中的液體或離子運(yùn)動(dòng)速度與裝置的幾何尺寸無關(guān)；（4）該裝置能夠很容易地集成其他的電子控制單元，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作。除了電動(dòng)力學(xué)在微流體方面的應(yīng)用，電動(dòng)力學(xué)也是解釋各種現(xiàn)象的基礎(chǔ)。如離子遷移和整改納米通道、水溶液熱泳現(xiàn)象、電解質(zhì)溶液的電潤濕等。</p>&l

31、t;p>　　當(dāng)固體表明與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，固體表面會獲得靜電電荷。這種表面電荷的存在導(dǎo)致離子的再分配，之后在電解質(zhì)溶液中固體表面附近形成一個(gè)帶電擴(kuò)散層來吸收在固體表面的電荷。這種帶電非中性擴(kuò)散層通常被稱為雙電層（EDL），負(fù)責(zé)兩個(gè)類別的電動(dòng)現(xiàn)象：（1）電驅(qū)動(dòng)的電現(xiàn)象；（2）非電驅(qū)動(dòng)的電現(xiàn)象。第一類現(xiàn)象的基本物理原理如下：當(dāng)沿著電場表面切向的施加外部電場時(shí)，帶電擴(kuò)散層產(chǎn)生靜電力迫使帶電表面和電解質(zhì)溶液之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。液體相對帶電表

32、面的運(yùn)動(dòng)被稱為電滲（圖1a），帶電粒子相對于靜止液體的運(yùn)動(dòng)被稱為電泳（圖1b）。典型的電泳發(fā)生在擁有固定的表面電荷的固體周圍（即Zeta電位），改變固體表面和溶液的理化特性，隨后液體滑移將處于以著名的Helmholtz–Smoluchowski速度方程建立的微觀EDL情況下。即：（表示電解質(zhì)溶液的介電常數(shù)，表示固體表面的Zeta電位，為外加電場強(qiáng)度，為電解質(zhì)溶液中的動(dòng)態(tài)粘度）。當(dāng)一個(gè)具有微觀EDL的帶電粒子被自由懸浮在靜止的液體電解質(zhì)溶

33、液中時(shí)，溶液中的分子在粒子表面的電滲滑動(dòng)在粒子表面引起電泳運(yùn)動(dòng)，其速度由Smoluchowski方程給出：（注意表示固體表面的Zeta電位</p><p>　　圖1 三種類型的電現(xiàn)象</p><p>　　前文中對電動(dòng)力學(xué)的描述通常假定所使用的液體粘度為牛頓液體，電動(dòng)力學(xué)的大多數(shù)文獻(xiàn)中的研究也采用了這樣的假設(shè)。然而在實(shí)際中，微流體裝置更多的被應(yīng)用與分析生物流體（如血液、唾液、蛋白質(zhì)和DNA溶

34、液）、聚合物溶液以及膠體懸液。這些液體不能被視為牛頓液體。因此，流體動(dòng)力學(xué)的表示這樣的非牛頓流體依賴于常規(guī)柯西動(dòng)量方程與合適的本構(gòu)方程相結(jié)合的方法來大致確定的液體的粘度，以改變與流體動(dòng)力的剪切速率，而非使用僅適用于牛頓流體的Navier-Stokes方程。由于耦合電動(dòng)力學(xué)兼具流體力學(xué)和靜電力學(xué)的功能，因此可以認(rèn)為非牛頓流體電動(dòng)力學(xué)會改變傳統(tǒng)的牛頓電動(dòng)力學(xué)。本文組織結(jié)構(gòu)如下：第2章對非牛頓流體研究最廣泛的電滲進(jìn)行回顧；第3章對非牛頓流體粒

35、子的電泳進(jìn)行回顧；第4章討論對非牛頓流體電位的影響；第5章討論了其他非牛頓效應(yīng)在電動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用；第6章總結(jié)了所進(jìn)行的回顧并對未來的研究方向進(jìn)行了闡述。</p><p>　　2．非牛頓流體的電滲</p><p>　　貝羅等人在這一領(lǐng)域做出了開拓性的貢獻(xiàn)。他以實(shí)驗(yàn)測得聚合物（甲基纖維素）溶液在毛細(xì)管中的電滲流。他們的研究表明，這種聚合物溶液中的電滲速度比傳統(tǒng)的Helmholtz–Smoluc

36、howski速度高得多。這在當(dāng)時(shí)提出后，表明剪切變稀誘導(dǎo)聚合物分子能有效降低EDL內(nèi)流體的粘度。大約十年后，產(chǎn)生了更多的實(shí)驗(yàn)和理論來支持這一現(xiàn)象。Chang和Tsao進(jìn)行了一個(gè)與貝羅等人所做的類似的實(shí)驗(yàn)。他們所研究的聚乙二醇溶液中的電滲流和觀察到的拖動(dòng)以及液體的有效粘度均由于EDL的內(nèi)部剪切的聚合分子而大大減少。在理論方面，最近的努力已經(jīng)導(dǎo)致了大量的對非牛頓流體電滲流動(dòng)的信息。具體而言，非牛頓效果的特點(diǎn)是其中涉及適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型動(dòng)態(tài)粘度和

37、剪切速率。文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了一大類用于分析流體的非牛頓特性如冪律模型、Carreau模型、Bingham模型、Oldroyd-B模型以及Moldflow二階模型等。冪律流體模型的應(yīng)用最為廣泛因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)最為簡單，且能夠廣泛的適應(yīng)非牛頓流體的應(yīng)用。在冪律流體模型中的一個(gè)重要參數(shù)是流體行為折射率（n），其描繪了粘度對剪切速率的動(dòng)態(tài)依賴。如果n小于（大于）1，流體將表現(xiàn)出剪切稀化（剪切增稠</p><p>　　圖2 冪律

38、流體在平行板微通道電滲流高度為2H的示意圖</p><p>　　然而，對于上述研究中Carreau模型只是一個(gè)極端的例子，非牛頓流體的本構(gòu)模型是更通用的模型。與牛頓流體模型相比，Carreau本構(gòu)模型包括五個(gè)附加的參數(shù)，并且可以描述的各種各樣的非牛頓流體的流變學(xué)。在零剪切速率的限制條件下，常用的冪律模型所預(yù)測的剪切變稀流體會出現(xiàn)無限大的粘度，而卡羅模型沒有這樣的缺陷，它可以順利過渡到一個(gè)恒定的粘度。Carreau

39、流體模型可以用于各種聚合物溶液，如0.3％羥乙基纖維素HHX甘油溶液和1％甲基纖維素甘油溶液，以及純聚（環(huán)氧乙烷）。這些聚合物被廣泛地用于提高毛細(xì)管電泳對蛋白質(zhì)和DNA的分離中的選擇性和分辨率。Zimmerman等人在微通道T字路口進(jìn)行Carreau流體的電滲流的有限元數(shù)值模擬。其分析表明，流場具有依賴于流體的非牛頓特性，因此可以用于電滲流流變儀的設(shè)計(jì)。Zhao和Yang提出了一個(gè)總體框架，以解決關(guān)于非牛頓流體卡羅電滲/電泳遷移率的問題

40、。他們的結(jié)論是，電滲/電泳遷移率可以顯著提高剪切稀化流體的表面Zeta電位。</p><p>　　由于對剪切速率的動(dòng)態(tài)粘度的依賴性為非線性，方程的非牛頓流體電滲流動(dòng)也變得高度非線性，所以大多數(shù)的理論分析依賴于近似解或數(shù)值模擬。確切的解決方案是有價(jià)值的，因?yàn)樗麄儾粌H可以提供物理研究的現(xiàn)象，同時(shí)也可以作為基準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)，數(shù)值和漸近分析。對于非牛頓流體電滲流動(dòng)的精確解，Zhao和Yang提出了冪律流體的電滲在狹縫平行板微如

41、圖2所示。該通道被非牛頓冪律電解質(zhì)溶液填充,其具有流動(dòng)行為指數(shù)n，以及流動(dòng)稠度指數(shù)m。Zeta電位ζ在微通道壁上均勻分布。外部電場E0的電滲作用使得液體流動(dòng)。由速度分布推導(dǎo)出Zeta電勢如下：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　德拜參數(shù)被定義為（其中是電子的電荷，是離子價(jià)態(tài)，是離子的批量數(shù)濃度，是溶液的介電常數(shù)，是玻爾茲曼常數(shù)，是絕對溫度

42、）。函數(shù)在方程（1）中被定義為:</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中表示高斯超幾何函數(shù)，表示冪律流體的Helmholtz-Smoluchowski速度，可被寫為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　這種近似方法首先由Zhao等人提出，E

43、DL的上通道壁的厚度通常是由德拜參數(shù)（）的倒數(shù)計(jì)算，所以無量綱電動(dòng)參數(shù) 表征半通道高度至EDL厚度的相對重要性。對于電動(dòng)參數(shù)（薄壁EDL或大通道）的值，由公式（3）中在微通道中電滲的Helmholtz-Smoluchowski速度表示。以電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微流體處理非牛頓流體中的Helmholtz-Smoluchowski速度時(shí)，由于兩個(gè)原因使得公式（3）既實(shí)用又極為重要：首先，體積流速可以簡單地通過通道的橫截面與Helmholtz-Smolu

44、chowski速度的積來計(jì)算。其次，在復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)中，電滲流場的數(shù)值計(jì)算可以通過規(guī)定Helmholtz–Smoluchowski速度作為實(shí)心墻滑移速度而極大地簡化。以下文獻(xiàn)中有關(guān)于廣義Smoluchowski速度更詳細(xì)的推導(dǎo)和討論。最近，Zhao和Yang提出了一個(gè)有趣但與我們的直覺相悖的報(bào)告，指出非牛頓流體動(dòng)力學(xué)和靜電力學(xué)之間的Helmholtz–Smoluchowski速度依賴于耦合通道的尺寸和幾何形狀。</p>&l