微流道內(nèi)壓力驅(qū)動(dòng)流數(shù)值模擬研究.pdf

1、微流控芯片以微細(xì)加工技術(shù)和微電子技術(shù)為基礎(chǔ),以生命科學(xué)和分析化學(xué)為主要研究對(duì)象,研究試劑在微流道網(wǎng)絡(luò)中的采樣、稀釋、反應(yīng)、檢測(cè)和分離等過(guò)程。本文針對(duì)微流控芯片中存在的尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)和邊界滑移等問(wèn)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(dòng)流的輸運(yùn)規(guī)律。論文的主要研究工作和成果如下:
　　 1.分析研究了國(guó)內(nèi)外微流動(dòng)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(dòng)電現(xiàn)象和微流體的分類(lèi)及其控制機(jī)理,以及微流

2、體力學(xué)的基本問(wèn)題,基于多物理場(chǎng)耦合特征,提出了本文的研究?jī)?nèi)容。
　　 2.在微尺度下,針對(duì)流道內(nèi)存在的動(dòng)電效應(yīng),在宏觀流體力學(xué)理論的基礎(chǔ)上,分析了微流控中的數(shù)學(xué)模型,即雙電層電勢(shì)分布P-B方程、感應(yīng)電場(chǎng)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(dǎo)了一維雙電層電勢(shì)分布、感應(yīng)電場(chǎng)及流場(chǎng)速度分布的線(xiàn)性解析解和非線(xiàn)性完全數(shù)值解,并應(yīng)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(dòng)流,其結(jié)果與線(xiàn)性解析解進(jìn)行比較,以驗(yàn)證COMSOL軟件求解的正確性與精度。通過(guò)COMSOL分別對(duì)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(shì)分布、平均流速、體表粘度比、摩擦系數(shù)以及流動(dòng)電勢(shì)進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明,隨著特征長(zhǎng)度和zeta電勢(shì)的減小,雙電層電勢(shì)分布由“塞狀”向拋物線(xiàn)過(guò)渡；在考慮動(dòng)電效應(yīng)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(yīng)加強(qiáng),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(dòng)電勢(shì)隨著特征長(zhǎng)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(dòng)電勢(shì)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(duì)進(jìn)一步縮小微流控芯片的尺度具有參考價(jià)值。
　　 4.建立了3D的矩形光滑微流道物理模型,推導(dǎo)了二維雙電層電勢(shì)分布、感應(yīng)電場(chǎng)和流場(chǎng)速度分布的線(xiàn)性解析解和非線(xiàn)性完全數(shù)值解,并

5、應(yīng)用MATLAB軟件編寫(xiě)P-B方程、感應(yīng)電場(chǎng)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(dǎo)致邊角處的電勢(shì)分布變化平緩,“回流”現(xiàn)象更加明顯；當(dāng)液力直徑一定時(shí),隨著深寬比的增大,平均流速和流動(dòng)電勢(shì)增大,而體表粘度比和摩擦系數(shù)都有所減小,當(dāng)深寬比為1時(shí),上述變化趨勢(shì)達(dá)到極限；液力直徑、電解質(zhì)溶液濃度和外加壓力等也是動(dòng)電效應(yīng)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(dòng)

6、電勢(shì)和摩擦系數(shù)等流體特性參數(shù)的關(guān)系,類(lèi)似于上述動(dòng)電效應(yīng)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(shí)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(fù)雜U型微流道的樣品傳輸模型。結(jié)果表明,動(dòng)電效應(yīng)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(fù)雜U型微流道樣品傳輸?shù)倪^(guò)程中,“回流”現(xiàn)象大大減弱