微流道內(nèi)壓力驅(qū)動流數(shù)值模擬研究.pdf

1、微流控芯片以微細加工技術(shù)和微電子技術(shù)為基礎(chǔ),以生命科學和分析化學為主要研究對象,研究試劑在微流道網(wǎng)絡中的采樣、稀釋、反應、檢測和分離等過程。本文針對微流控芯片中存在的尺度效應、表面效應和邊界滑移等問題,采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,系統(tǒng)研究了微流道中壓力驅(qū)動流的輸運規(guī)律。論文的主要研究工作和成果如下:
　　 1.分析研究了國內(nèi)外微流動芯片的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀,介紹了微流控中存在的動電現(xiàn)象和微流體的分類及其控制機理,以及微流

2、體力學的基本問題,基于多物理場耦合特征,提出了本文的研究內(nèi)容。
　　 2.在微尺度下,針對流道內(nèi)存在的動電效應,在宏觀流體力學理論的基礎(chǔ)上,分析了微流控中的數(shù)學模型,即雙電層電勢分布P-B方程、感應電場方程及修正后的N-S方程,為本文的研究提供了理論依據(jù)。
　　 3.建立了2D的平行板光滑微流道物理模型,推導了一維雙電層電勢分布、感應電場及流場速度分布的線性解析解和非線性完全數(shù)值解,并應用基于FEM的COMSOL軟件數(shù)值

3、模擬了光滑微流道內(nèi)的壓力驅(qū)動流,其結(jié)果與線性解析解進行比較,以驗證COMSOL軟件求解的正確性與精度。通過COMSOL分別對親水材料和疏水材料制作的微流道內(nèi)流體的雙電層電勢分布、平均流速、體表粘度比、摩擦系數(shù)以及流動電勢進行了數(shù)值模擬。研究表明,隨著特征長度和zeta電勢的減小,雙電層電勢分布由“塞狀”向拋物線過渡；在考慮動電效應的情形下,微流體的平均流速小于宏觀流體的平均流速,流道中心的流速減小,電粘效應加強,微流體的表觀粘度增大,且

4、摩擦系數(shù)大于宏觀流體的摩擦系數(shù),流動電勢隨著特征長度和外加壓力的增大而增大,隨著電解質(zhì)溶液濃度的減小而增大；疏水材料制作的微流道邊界存在滑移速度,與親水材料制作的微流道相比,其流體的平均流速和流動電勢有所增加,疏水材料起到減摩的作用,表觀粘度有所降低。上述研究對進一步縮小微流控芯片的尺度具有參考價值。
　　 4.建立了3D的矩形光滑微流道物理模型,推導了二維雙電層電勢分布、感應電場和流場速度分布的線性解析解和非線性完全數(shù)值解,并

5、應用MATLAB軟件編寫P-B方程、感應電場方程和N-S方程的離散化網(wǎng)格程序,求解上述方程的完全數(shù)值解。研究表明,由于矩形微流道的邊角奇異性,導致邊角處的電勢分布變化平緩,“回流”現(xiàn)象更加明顯；當液力直徑一定時,隨著深寬比的增大,平均流速和流動電勢增大,而體表粘度比和摩擦系數(shù)都有所減小,當深寬比為1時,上述變化趨勢達到極限；液力直徑、電解質(zhì)溶液濃度和外加壓力等也是動電效應的影響因素,上述影響因素與矩形微流道內(nèi)的平均流速、體表粘度比、流動

6、電勢和摩擦系數(shù)等流體特性參數(shù)的關(guān)系,類似于上述動電效應的影響因素與平行板微流道內(nèi)流體的特性參數(shù)的關(guān)系；矩形微流道內(nèi)流體的摩擦系數(shù)大于平行板內(nèi)流體的摩擦系數(shù)。上述研究為實現(xiàn)精確且定量地控制微流控芯片中流體的流速提供參考依據(jù)。
　　 5.研究了Y型微流道的分流傳輸以及復雜U型微流道的樣品傳輸模型。結(jié)果表明,動電效應阻礙了Y型微流道中流體的分流傳輸,使得體表粘度比減小摩擦系數(shù)增大；在復雜U型微流道樣品傳輸?shù)倪^程中,“回流”現(xiàn)象大大減弱