微通道內變電場驅動電滲流及其混合數(shù)值模擬.pdf

1、微流控芯片實現(xiàn)了對分析實驗室功能的集成化,具有良好的應用前景,已經成為當今MEMS領域的研究熱點之一。流體在微通道內傳輸和混合作為微流控芯片中的兩個重要操作過程,將直接影響微流控芯片的性能。本文在分析了國內外研究現(xiàn)狀的基礎上,將交變電場作為微通道中流體的驅動力,以數(shù)值模擬方法為手段,系統(tǒng)地研究了交變電場驅動時的電滲流及微混合。
　　 本文的主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　 1.從微流體流動中的動電現(xiàn)象出發(fā),研究了雙電層及電滲

2、流形成的機理,分析了電滲流相關物理場及其控制方程。在Debye-Hückel近似的條件下,求解了二維光滑微通道中雙電層電勢分布和電滲流速度的解析解,將解析解與數(shù)值解進行了比較,驗證了基于有限元法的COMSOL Multiphysics數(shù)值解的可靠性。
　　 2.基于有限元法,采用COMSOL Multiphysics模擬了二維光滑微通道內交變電場驅動電滲流,討論了電場頻率、電場強度、溶液濃度和微通道高度等因素對電滲流的影響。結果

3、表明,交變電場驅動電滲流速度分布呈“波浪狀”,速度變化與電場變化不同步,隨著電場頻率的增大,“波浪狀”速度流型更為明顯,并且雙電層滑移速度減小,尤其當電場頻率大于3000Hz時,雙電層滑移速度迅速下降,說明高頻交變電場對微通道內流體的驅動效果降低；電滲流速度和雙電層滑移速度與電場強度成正比,隨溶液濃度的增大而非線性地減??；溶液濃度和微通道高度的增大使雙電層厚度相對變薄,“波浪狀”速度流型的波峰更加尖銳。因此,可通過改變以上因素實現(xiàn)對電滲

4、流速度和流型的控制,這為微通道內交變電場驅動電滲流精確控制提供了理論參考。
　　 3.對二維親／疏水微通道內交變電場電滲流進行了模擬,研究表明,與親水微通道不同,疏水微通道中由于壁面存在滑移速度,電滲流速度和雙電層滑移速度明顯增大,且與滑移長度成正比；疏水微通道中,雙電層滑移速度隨溶液濃度的增大先減小后增大,因為當溶液濃度大于10-4mol／L時,邊界滑移速度的增大成為影響雙電層滑移速度的主要因素。以上研究成果使得對電滲流的研究

5、更加全面。
　　 4.提出了一種主動式增強微通道內流體混合的方法,并對其進行了數(shù)值模擬研究,討論了交變電場強度、電場頻率、電極對數(shù)和電極極性等對微混合的影響。結果顯示,垂直于微通道軸向的交變電場能夠有效地誘發(fā)混沌流,提高微通道內流體混合效率；隨著電場強度和電場頻率的增大,混合效率總體呈增大趨勢,當頻率在4～8Hz時,微通道出口處混合效率不穩(wěn)定,有較大波動；隨著微通道壁面電極對數(shù)量的增加,混合效率先減小后增大；相比于電極極性相同時