密集顆粒群的介電泳相互作用及頻率效應(yīng)的研究.pdf

1、在介電泳顆粒操控過(guò)程中，大數(shù)量的密集顆粒由于距離過(guò)近，受到電場(chǎng)極化后會(huì)發(fā)生介電泳相互作用，形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)或者聚集成團(tuán)，這種相互作用會(huì)影響到顆粒分離效果。另一方面，顆粒介電泳相互作用以及成鏈特性可以應(yīng)用于顆粒裝配技術(shù)，在微制造、環(huán)境健康、新材料等領(lǐng)域有很多新的應(yīng)用前景。如何準(zhǔn)確高效地分析計(jì)算密集顆粒在電場(chǎng)中的介電泳相互作用是當(dāng)前一個(gè)熱門(mén)的研究課題。麥克斯應(yīng)力張量法(MST)是理論上最嚴(yán)格的顆粒介電力算法，但是計(jì)算量巨大，且數(shù)值誤差和不確定性

2、難以控制，目前只能用于計(jì)算二維電場(chǎng)中少數(shù)幾個(gè)顆粒的相互作用。迭代偶極矩法(IDM)是當(dāng)前模擬大數(shù)量密集顆粒介電泳相互作用的最新算法，無(wú)需復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，應(yīng)用簡(jiǎn)單且具有較高的精度。本文利用MST法和IDM法，對(duì)二維和三維電場(chǎng)中，密集顆粒群的介電泳相互作用的本質(zhì)特征進(jìn)行了計(jì)算模擬，重點(diǎn)研究了交變電場(chǎng)頻率對(duì)顆粒介電泳相互作用,以及顆粒成鏈成團(tuán)特征的影響。論文完成如下工作:
　　論文研究了二維均勻直流(DC)電場(chǎng)中顆粒的介電泳相互作用。采

3、用有限元模型和任意拉格朗日-歐拉法(ALE)算法對(duì)電場(chǎng)-流場(chǎng)-顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了全耦合動(dòng)態(tài)計(jì)算模擬，論文對(duì)同類(lèi)顆粒，異類(lèi)顆粒，以及不同尺寸顆粒的受力和相互作用運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了計(jì)算分析。比較了不同顆粒-溶液介電常數(shù)比,不同顆粒尺寸等因素對(duì)顆粒速度、運(yùn)動(dòng)軌跡、成鏈特征和成鏈時(shí)間的影響。研究結(jié)果表明，同類(lèi)顆粒總是形成平行于電場(chǎng)的顆粒鏈，異類(lèi)顆?？偸切纬纱怪庇陔妶?chǎng)的顆粒鏈,顆粒鏈為正負(fù)介電泳顆粒交替排列結(jié)構(gòu)。
　　論文分別采用MST法和IDM法

4、研究了二維均勻交變(AC)電場(chǎng)中顆粒介電泳相互作用的頻率效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，兩種方法具有較好的一致性。采用MST法對(duì)兩個(gè)顆粒在不同頻率下的內(nèi)部電場(chǎng)分布、表面應(yīng)力分布、運(yùn)動(dòng)軌跡和成鏈規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算和分析。并對(duì)顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相互作用力的變化,以及顆粒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)理進(jìn)行了分析。研究表明，通過(guò)調(diào)控電場(chǎng)頻率可以讓顆粒在正負(fù)介電泳之間轉(zhuǎn)換，正介電泳顆粒表面受到拉應(yīng)力，負(fù)介電泳顆粒表面受到壓應(yīng)力。論文采用IDM法對(duì)四個(gè)，五個(gè)和二十個(gè)顆粒的介電泳相互作

5、用進(jìn)行了研究。研究表明，多顆粒成鏈形態(tài)與顆粒的初始位置分布,電學(xué)屬性(介電系數(shù),電導(dǎo)率)，以及電場(chǎng)頻率有關(guān)。顆粒初始位置的微小擾動(dòng)會(huì)大大改變最終的顆粒鏈形態(tài)。在不同的頻率下，隨機(jī)分布的大數(shù)量密集顆粒能夠形成多個(gè)長(zhǎng)短不一的顆粒鏈,顆粒鏈的基本特征不變,同類(lèi)顆粒鏈平行于電場(chǎng),異類(lèi)顆粒鏈垂直于電場(chǎng)。
　　論文利用IDM方法研究了分布于同一平面上的大數(shù)量密集三維球顆粒在垂直于顆粒平面的交變電場(chǎng)(AC)中的介電泳相互作用行為。研究發(fā)現(xiàn)，在垂

6、直于顆粒平面的電場(chǎng)作用下，同類(lèi)顆粒相互排斥不成鏈，最終形成等間距的顆粒結(jié)構(gòu)。異類(lèi)顆粒相互吸引,形成長(zhǎng)短不一的多個(gè)顆粒鏈。顆粒大小、初始位置、電場(chǎng)頻率以及芯片邊界都對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)和成鏈特征具有重要的影響。在圓形邊界的芯片中，分別考察了低頻、高頻和過(guò)渡頻率對(duì)顆粒介電泳相互作用的影響，并討論了頻率調(diào)控改變顆粒相互作用和成鏈特性的一般性規(guī)律。
　　論文提出了一種大數(shù)量密集顆粒在流體中緩慢運(yùn)動(dòng)時(shí)的流體阻力迭代修正法。通過(guò)對(duì)局部流場(chǎng)進(jìn)行迭代修正，

7、得到了包含顆粒之間相互影響的流體阻力，同時(shí)避免了求解N-S方程數(shù)值計(jì)算帶來(lái)的巨大計(jì)算量和不確定性。與傳統(tǒng)的Stokes阻力對(duì)比發(fā)現(xiàn)，迭代修正的斯托克斯阻力提高了流體阻力的計(jì)算精度，應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，可用于大數(shù)量密集顆粒相互作用時(shí)的流體阻力計(jì)算，不改變顆粒介電泳相互作用基本特征和最終顆粒鏈的結(jié)構(gòu)形態(tài)。
　　論文結(jié)合電場(chǎng)調(diào)控電滲流微渦旋和介電泳技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種可連續(xù)性分離顆粒的芯片裝置。文中對(duì)新裝置的顆粒分離過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析，并對(duì)各項(xiàng)參