毛细管电渗流微泵的流型及驱动

采用二维纳维一斯托克方程、拉普拉斯方程、泊松-玻尔兹曼方程表述电渗流微泵的计算模型,讨论了电渗流在各种工况下的流型,分析了双电层(EDL)厚度、外加垂直电势、Zeta电势、背压以及管径对电渗流(EOF)驱动时间的影响。仿真结果表明:影响驱动时间的主要是管径,其他因素可以忽略;无载驱动与反向驱动时间是毫秒级,有载驱动时间是在微秒级。通过改变外加垂直电势或Zeta电势的极性,可以实现双向驱动。     

PNP模型的正弦粗糙微通道幂律流体电渗流研究

针对正弦表面粗糙元对微通道内幂律流体电渗流(EOF)流动特性的影响,建立了二维平板粗糙微通道内幂律流体EOF的Poisson-Nernst-Planck(PNP)数学模型,采用有限元法耦合求解双电层(EDL)电势的Poisson方程、离子输运的Nernst-Planck方程、幂律流体流动的Cauchy动量方程以及本构方程。在对PNP模型验证之后,研究了正弦粗糙元高度、频率对幂律流体壁面EDL电势分布以及EOF流量的影响。模拟结果表明:正弦粗糙元对近壁面EDL电势、外加电场电势、EOF速度矢量分布有较大影响;粗糙元波谷处EDL电势随着粗糙元相对高度或频率的增加而增大,波峰处反之;幂律流体EOF流量随着粗糙元相对高度的增加而单调减小,随粗糙元频率的增加先减小后增大,且在粗糙元频率为2.2时EOF流量最小;特别地,流体幂律指数越小,其受粗糙元高度或频率的影响越大。     

基于拓扑优化的电渗流微混合器电极

电渗是当前芯片实验室设备中微流体常用的驱动方式之一，其中电极版图对控制电渗驱动的外电场起到关键作用。针对电渗流电极版图大多基于尺寸优化和形状优化的方法难以大幅提升微流控器件性能的问题，建立电渗流电极拓扑优化模型，采用滤波方程和阈值投影控制电极结构的特征尺寸，通过连续伴随分析方法获得模型的伴随敏度，进而演化电极版图的结构设计变量，最终实现电渗流电极的拓扑优化。基于上述拓扑优化方法设计电渗流微混合器的电极版图，并对影响微混合器混合效果的因素进行分析。结果表明，电渗流微混合器的混合评价指数达到0.047，能够实现两种不同浓度溶液的完全混合。微混合器良好的混合性能验证了本文提出电渗流电极拓扑优化方法的有效性。     

TWEO微流体驱动理论模型与实验研究

为研究行波电渗(TWEO)微流体驱动,在封闭微通道内TWEO微流体驱动进行了仿真和实验分析。根据双电层电荷分布规律,建立了行波电渗微流体驱动理论模型;通过对行波电渗电场和流场问题的求解,获得了封闭通道内流场仿真结果,并与实验结果相比较,验证了相关理论的正确性;对微通道内2/3高度处微流体流速进行仿真与实验结果分析,结果显示电渗流流速与频率的关系满足正态分布,为进一步展开对行波电渗微流体驱动及其在芯片实验室中的应用奠定了基础。     

平行板微通道内压力驱动流的流动机理

由于固-液界面双电层的作用,平行板微通道内的压力驱动流存在动电效应。平行板微通道可简化为二维截面,其截面上双电层电场和速度场的控制方程分别采用Poisson-Boltzmann方程和修正后的Navi-er-Stokes方程。应用有限元法对控制方程进行了数值求解,计算在微通道内流体的平均流速和动电效应形成的流动电势。研究表明,微通道高度和电解质溶液浓度是影响微流体流动的主要因素。动电参数越小,动电效应对微流体的影响越大,实际值偏离经典流体理论值越大;平均流速与通道两端的压力差线性相关。     

NiTi/Si薄膜驱动微型无阀泵的系统研究

介绍了形状记忆合金 /硅 (Ni Ti/Si)复合膜驱动的微型无阀泵的结构及工作原理 ,采用 Matlab对微泵的压力 P和流量 Q进行了计算和仿真 ,并将仿真结果与实验结果进行了对比。通过分析驱动膜的驱动频率与泵的几何结构对微泵性能的影响 ,得到微泵的优化方案。     

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。     

微流道壁面粗糙度影响的电渗流数值模拟

基于微流控动力学理论,应用有限元分析方法求解二维平板粗糙壁面微流道模型内矩形截面双电层场和速度场的耦合控制方程。从数值模拟角度研究不同矩形粗糙元对称分布微流道内的电渗流流动特性,分析了粗糙度对微流体流动的影响机理。结果表明:由于粗糙元的阻力作用,粗糙壁面流道内流体速度减小,引起的压力突变导致壁面附近速度出现波动。随着粗糙元高度、宽度的增加,电渗流流速相应地降低或升高。     

抛物线型流体静压型机械端面密封数值分析

以小型水下航行器艉轴用机械密封为研究对象,提出了抛物线型流体静压型机械端面密封(PHS-MS)二维轴对称模型;兼顾流体粘度随压力和温度的变化,采用有限差分法对Reynolds方程、能量方程、热传导方程及其他控制方程组成的耦合数学模型进行了数值计算;在相同的几何与环境参数下,通过PHS-MS与传统锥形(锥角β)流体静压型机械端面密封(CHS-MS)密封性能对比,表明在同等开启力下,PHS-MS泄漏量更小,提高了小型水下航行器运行的安全性及航程;研究了几何参数对PHS-MS密封性能的影响规律,获得了最优几何参数。     

直微通道中的电黏性效应

为了研究直微通道中幂律流体的电黏性效应,建立了压力驱动微通道内流体流动的数学模型,其中双电层电势分布、流体流动及流动粒子输运特性分别由Poisson-Boltzmann(P-B)方程、Navier-Stokes(N-S)方程及Nernst-Plank(N-P)方程描述。讨论了微通道中有电黏性效应时溶液浓度;幂律指数对微通道内流体的速度分布、流动电场强度的影响。结果表明:对于n1的剪切变稀流体,流体的黏度和流动速度随着n的增大而减小,变化非常明显;而对于n1的剪切变稠流体,黏度和流动速度几乎不受n的影响,在实际应用中可以忽略不计。