圓形微通道內(nèi)壓力驅(qū)動(dòng)流有限元數(shù)值模擬.pdf

1、微流控芯片以微通道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征,依靠流體的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)微通道內(nèi)樣品的輸運(yùn)以及樣品的采樣、混合與分離、反應(yīng)與檢測(cè)等過(guò)程,其關(guān)鍵問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)微流體的精確操控。本文針對(duì)微尺度下流體流動(dòng)存在的邊界滑移效應(yīng)、動(dòng)電效應(yīng)等問(wèn)題,從流體力學(xué)基本方程出發(fā),建立了微流動(dòng)多物理場(chǎng)耦合的動(dòng)電力學(xué)模型,基于有限元法數(shù)值模擬研究了圓形微通道內(nèi)壓力驅(qū)動(dòng)流的流動(dòng)電勢(shì)以及流動(dòng)特性。論文的主要工作內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.在光滑圓形微通道中,采用 Nernst-Plan

2、ck方程耦合 Poisson方程和Navier-Stokes(NS)方程建立了描述微通道中雙電層電位與離子分布的Poisson-Nernst-Planck(PNP)模型,應(yīng)用多物理場(chǎng)有限元軟件 COMSOL Mul-tiphysics求解模型控制方程,得到了微通道中雙電層電位的數(shù)值解,對(duì)比分析了PNP模型和傳統(tǒng) Poisson-Boltzmann(PB)模型的雙電層電位分布。結(jié)果表明,當(dāng)微通道特征長(zhǎng)度較小或溶液離子濃度較低時(shí),離子不滿足

3、Boltzmann分布的假設(shè)條件,兩種模型的雙電層電位分布有較大偏差,與PB模型相比,PNP模型能更準(zhǔn)確地描述微通道中雙電層電位與離子分布。
　　2.以光滑圓形微通道為研究對(duì)象,基于PNP模型數(shù)值模擬了微通道內(nèi)的壓力驅(qū)動(dòng)流,分析了微通道中的流動(dòng)電勢(shì)及流體流動(dòng)速度。結(jié)果表明,動(dòng)電效應(yīng)對(duì)流動(dòng)有阻滯作用而邊界滑移效應(yīng)對(duì)流動(dòng)有促進(jìn)作用;隨著壓力梯度的增大或離子濃度的減小,流動(dòng)電勢(shì)增大;隨著微通道特征長(zhǎng)度的增大,流動(dòng)電勢(shì)先是急劇增加然后逐漸

4、減小;微通道特征長(zhǎng)度或溶液離子濃度越小,流動(dòng)速度偏離理論值越大,動(dòng)電效應(yīng)對(duì)流動(dòng)的影響越明顯;低離子濃度溶液在較小特征長(zhǎng)度微通道中流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)局部回流現(xiàn)象,其根本原因是流體剪切力方向發(fā)生了改變,考慮速度滑移時(shí),邊界滑移效應(yīng)加劇了微通道壁面附近流體的回流,減小了微通道中的流動(dòng)電勢(shì),但同時(shí)也使微流動(dòng)體積流量增加;無(wú)流體回流現(xiàn)象時(shí),流動(dòng)電勢(shì)和流動(dòng)速度均隨著滑移系數(shù)的增大而增大,當(dāng)離子濃度較低時(shí),對(duì)應(yīng)的壁面ζ電勢(shì)絕對(duì)值越大,邊界滑移效應(yīng)對(duì)流動(dòng)速度和

5、流動(dòng)電勢(shì)的影響不明顯。上述研究結(jié)果豐富了微尺度下壓力驅(qū)動(dòng)流的基礎(chǔ)理論。
　　3.研究了圓形微擴(kuò)散管內(nèi)的壓力驅(qū)動(dòng)流。研究結(jié)果表明,流動(dòng)電勢(shì)沿著流動(dòng)方向非線性增長(zhǎng),微流體擴(kuò)散方向流動(dòng)時(shí)流動(dòng)電勢(shì)最大值要大于收縮方向流動(dòng);微擴(kuò)散管的流動(dòng)電勢(shì)隨著離子濃度的增大或擴(kuò)散角的增大而減小,而隨著兩端的壓力差的增大而增大;在相同的壓力差下,擴(kuò)散方向流動(dòng)體積流量要大于收縮方向流動(dòng),由于動(dòng)電效應(yīng)的作用,體積流量有所減小,尤其是離子濃度較低時(shí),動(dòng)電效應(yīng)越明

6、顯,體積流量大幅度減小,由于邊界滑移效應(yīng)的作用,體積流量有所增加;隨著離子濃度的減小或滑移系數(shù)的增大,流量效率略微增大;微擴(kuò)散管長(zhǎng)度及擴(kuò)散角太大或太小均對(duì)流量效率不利。上述研究結(jié)果為進(jìn)一步提高微擴(kuò)散管流量和流量效率提供了參考依據(jù)。
　　4.采用典型粗糙元和隨機(jī)粗糙度建立了粗糙圓形微通道的物理模型,數(shù)值模擬研究了粗糙圓形微通道內(nèi)的壓力驅(qū)動(dòng)流。研究結(jié)果表明,流動(dòng)電勢(shì)隨著粗糙元個(gè)數(shù)及高度、寬度或相對(duì)粗糙度的增大而減小,隨著滑移系數(shù)的增大