微机电系统(MEMS: microelctromechanical systems)的研究已经引起越来越多的关注，随着尺度的减小，面积/体积之比呈增大趋势，尤其是尺度达到微/纳米时，界面上的物理化学特性逐渐增大为影响体系的主要因素.对于流体而言，宏观状态下的驱动方式，譬如压力驱动已经退居其次，利用界面特性驱动是微/纳流体研究的热点.利用电渗(electroosmosis)现象进行液体驱动，就是在这种背景下提出来的。 电渗驱动是利用固液界面上极性液体一侧，非电中性薄层的电特性驱动液体。即，当极性/电解质溶液固体表面相接触时，由于两种介质的能量不同，会造成界面的固体一侧产生壁面电荷；同时由于同性相吸异性相斥的电特性，在约1至10nm的界面区形成非电中性的液体；若沿界面的切向存在电场，这薄层液体就首先定向运动起来，通过黏性带动整个溶液运动，与体溶液(bulk fluid)的驱动相比，它改变了宏观液体驱动以体积力为主的传统方法，是用“壁”进行驱动，表/体比越大，驱动越强劲。 本学位论文中详细叙述了微尺度下电渗控制方程：Laplace方程、Poisson-Boltzmann方程和不可压缩牛顿流Navier-Stokes方程的建立过程，在对无网格法总结的基础上，本文发展了基于固定再生核法(FRKM: fixed reproducing kernel method)的有限云法(FCM: finitecloud method)作为函数的空间离散方法，对这组非线性方程组进行数值求解，并研制了相应算法程序.用基再生条件构造形函数，使得当基向量能够反映未知函数空间特性时，只需构造一次形函数及其导数，不用针对不同控制方程分别构造，节省了大量计算资源.对Poisson-Boltzmann方程利用泰勒展开式构造非线性迭代算法，对不可压缩牛顿流Navier-Stokes方程用速度、压力解偶的投影法，首次把modified Chorin-Teman、Van Kan、rotationalincremental pressure-correction三种投影法与有限云法相结合，从而提高数值计算效率和计算精度。在把空间离散后的未知函数带入经过处理的控制方程时遵循配点原则，得到未知函数的强解，使得物理意义更加清晰。在数值实现方面，用C++和Matlab C++数学库相结合，从而使两者优势互补。 利用上述数值方法完成了微通道的电渗流体动力学的求解，讨论了直通道一致zeta电势下的电渗流型、驱动过程和承载能力.从速度的剖面图可知，无载时电渗的流型是塞流；有载时流场是电渗驱动与压力反向驱动的叠加，流型呈中间凹的形状；在驱动过程中，通道中央流体呈现粘性特性，即非塞流.外加垂直电势和zeta电势对流速的影响是线形的，无载时流速与管径或通道宽度无关；理论分析表明pH值和溶液浓度通过改变zeta电势，进而对流速施加影响.通过模拟可知，微米级通道(管)中电渗的驱动时间是毫秒级.双电层厚度、zeta电势和外加垂直电势梯度不改变电渗驱动的时间，但是通道宽度的平方与驱动时间成正比.有载时，驱动时间约几十微秒；但载荷的值不影响流场达到稳态的时间，譬如：背压梯度0.1atm·mm-1时和0.15 atm·mm-1时，驱动时间一致.有主动力的区域，流体达稳态的时间少于只有惯性力的区域.承载(承受背压)以后，管(通道)中央速度下降，速度的降幅与管径(通道宽度)的平方成正比，表明承载能力与管径(通道宽度)平方成反比，这充分体现了电渗驱动随尺度的减小，表面积体积比的增大而增强，基于以上的理论研究成果，设计、制造了微米通道电渗流微泵。 为了利用电渗流实现不同介质的混合，论文在数值分析的基础上，提出了壁面电荷的主动设计概念.数值计算表明，直通道交错zeta电势驱动能够产生涡流，其中每个涡的方向由壁面处的电渗驱动力决定.即，对于上壁面而言，若驱动力向右，则涡的方向瞬时针；若驱动力向左，则涡的方向逆时针。对下壁面而言，则完全相反。双电层厚度对电渗驱动力的区域大小产生明显影响，当双电层厚度减小时，壁面附近切向速度在法向上的梯度发生很大变化，而各个涡的尺寸大幅度减小；zeta电势单元的长度对涡的尺寸也有显著影响，当单元长度减小时，涡的规模以更大的幅度减小，位置更接近璧面.从涡规模角度而言，单元长度相对于双电层厚度更重要。压力驱动只能在远离壁面处占优，壁面处占优的是电渗驱动，故压力不能消除由与其方向相反的电渗驱动产生的涡.甚至在双电层厚度减小时，压力不能消除与其方向相同的电渗驱动所产生的涡.璧面滑移对涡街的形态结构没有本质性影响。 论文还讨论了作为微流控系统(μTAS: micro-Total Analysis System)进样、分离、输运部分的十字、T和L型通道中的流场，为它们的设计提供了可参考数据。通过数值模拟，解释了利用外加电势能够方便有效地控制通道中液体的流动，并且，其有良好的“后天”性，即在设计时只要考虑是否布置电极，应用时根据需要施加不同种电势就能够实现相应流动状态，如：在十字和T型通道中改变电势的大小就能够轻松实现进样和分离两个过程，另外，在L型通道中虽然存在90度的转弯，并没有对流型和流速产生显著影响.这种流动不“变形”的特性相较于压力驱动有明显优势。 在实验方面设计、制作了多通道低电势电渗泵片试样，拍摄了泵片上电渗流动图像，在毛细管中验证了电渗驱动的流速、流量，试验证明数值计算结果可靠。用去离子水、0.01MNaCl和0.05MNaCl三种介质测试了电渗的电特性，发现电流电势呈线性关系，同时电流密度随管径的降低而增大。