论文部分内容阅读
微流控系统具有样品消耗少、检测速度快、多功能集成等特点,在生物化学等领域具有巨大应用潜力。微流控系统中涉及的检测样本多为非牛顿流体,因此,探究微通道内非牛顿流体的流动特性对微流控系统的应用至关重要。本文基于格子Boltzmann方法,在多种构型的分叉微通道内模拟剪切稀化流体的无量纲压力降及速度差值,分析流体特性和微通道几何构型对非牛顿流体流动行为的影响机理。主要研究内容包括:1.将非牛顿流体幂律模型引入牛顿流体格子Boltzmann模型,数值模拟了矩形截面分叉微通道内剪切稀化流体的流动特性,探讨了溶液浓度、入口速度和分叉角度对压力降的影响。结果表明:压力降随着入口速度和溶液浓度的增大而增大,分叉角度为90°的微通道压力降最小,当分叉角度大于90°时,压力降随着分叉角度的增大而减小,当分叉角度小于90°时,压力降随着分叉角度的增大而增大。微通道内各截面处压力降呈抛物线形,最大值出现在微通道中间截面处,流变特性是影响最大的因素。2.模拟了等流量矩形截面分叉微通道内剪切稀化流体的流动特性,分析了流体流变特性和微通道几何构型对非牛顿流体压力降和速度差值的影响。结果表明:分叉角度为90°的微通道压力降最小。压力降和速度差值随着入口速度、溶液浓度和分叉角度的增大而增大。溶液浓度使得入口速度和分叉角度对出口处压力降的影响更为显著。由于剪切稀化流体的流变特性,流动过程中存在压力值迅速降低的阶段。3.以分叉微通道为基础,将两分支支路构造为等流量对称构型,模拟微通道内剪切稀化流体的流动,探讨溶液浓度、入口速度和分叉角度对压力降和速度差值的影响机理。结果表明:微通道内压力和速度最大值出现在临近分叉点处。压力和速度分布呈抛物线形,关于微通道中心线对称。随着入口速度的增加,分叉点处的压力峰值区域面积显著增加。压力降和速度差值随着入口速度和溶液浓度的增大而增大。