微流控芯片中诱导电渗流数值模拟与可视化实验研究

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微流控技术是目前世界上最前沿的科技领域之一,电动微流体技术在微流控技术中有着十分重要的地位,利用电动微流体现象可以对微通道内的流体进行运输、混合同时也能够进行微纳颗粒的分选。诱导电渗流是电动微流体的一种,它主要是依靠可极化固体表面在外加电场作用下产生的双电层来对微流体进行驱动与操控的。在微流体驱动方面,诱导电渗流驱动与电渗流驱动都是利用了双电层的原理,但是诱导电渗流中双电层Zeta电势大小可以通过外加电场来进行操控和调节,研究发现其中可极化固体表面的速度与外加电场强度大小呈二次方的线性关系,比电渗流更容易进行微流体的驱动,具有更广阔的应用前景,本文将分别对诱导电渗流展开数值模拟与实验研究,具体工作如下:(1)深入研究了诱导电渗流的产生机理,给出了诱导电渗流中可极化固体表面诱导双电层Zeta电势的求解公式。(2)基于C语言,优化了诱导电渗流中多物理场控制方程以及相关的边界条件,并使用Fluent成功模拟出了诱导电渗流的流场。(3)搭建了诱导电渗流可视化实验平台,并开展了初步实验探究,本文设计并制作了简单的实验用诱导电渗流微流控芯片,成功实验得到了典型的诱导电渗流现象,证明了诱导电渗流理论的可行性,为诱导电渗流的后续实验研究奠定了基础。(4)基于诱导电渗流原理,本文设计了一种十字型诱导电渗流微泵结构,通过Fluent数值模拟研究了其流量与电压的关系,根据模拟结果拟合得到该十字型微泵流量与外加电场的关系。诱导电渗流驱动微泵具有结构简单、易于集成、操作方便和制造成本低等优点,在微化学分析、生物芯片等微系统领域有重要的应用前景,本文通过对诱导电渗流的形成机理、数值模拟和可视化实验探索为为诱导电渗流的后续实验奠定了基础。
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