弯曲矩形微纳通道内的流体流动及其传热、传质问题的研究

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近年来,微纳通道内的流体流动问题由于其在生物传感器、化学传感器、热控制系统、物质的混合与分离、药物传输、电化学能量转换等方面的诸多应用而受到了越来越多学者的关注.微纳通道内的流体流动具有反应速度较快以及所需试剂量较小等优点.在芯片实验室系统研究中,人们经常会使用弯曲的微通道.这是因为,对于给定单位长度的芯片,弯曲通道的有效轴向长度通常比直通道的有效轴向长度长.在微纳尺度流动的实际应用中,通常都要求精确的流量控制.因此,我们有必要建立合理的弯曲微纳通道内的流体流动的数学模型,并给出相应的解.此外,微纳通道内的流体流动可以根据其不同的驱动机制而应用到不同的方面.基于以上考虑,本文将给出具有矩形截面的弯曲微通道内的电磁流动的传热、传质分析以及弯曲纳米通道内的压力驱动流问题的研究.通过理论分析和数值运算,我们给出了弯曲矩形微纳通道相比于直的矩形微纳通道在提高能量转化效率和降低熵产生等方面的优势.我们将具体分为以下四个问题来研究.(1)弯曲矩形微通道内的电磁流的熵产生问题.我们研究了弯曲矩形微通道内的牛顿流体的电磁流动及其传热问题.首先,在蠕流的假设条件下,给出速度的解析解;然后,通过考虑恒定的壁面热通量以及热完全发展条件,给出温度的数值解;最后,利用求出的速度分布和温度分布,进一步得到了该问题的熵产率.通过分析得知,熵产率随弯曲通道的曲率比和展弦比的增大而减少.此外,沛克莱特数的增大也能导致熵产率的降低.(2)弯曲矩形微通道内的振荡电磁流及其传质问题的研究.我们还研究了弯曲矩形微通道内的Maxwell流体的振荡电磁流的传质问题.采用线性化的Maxwell流体为工作流体,并且将电中性的溶质注入到该流体中.在外加振荡电场和恒定磁场的共同作用下,流体开始振荡流动并增强了溶质的扩散.通过求解流体速度满足的动量方程以及溶质浓度满足的扩散方程,得到了流体速度和溶质浓度的解,并进一步求得了该溶质的有效扩散系数.结果表明,该系数随弯曲通道曲率比的增大而减少.此外,通过控制相关物理参数在其合理取值范围内的值,可以实现对该通道内电磁流动的传质特性的控制.(3)低zeta势下,弯曲矩形纳米通道内的电化学能量转换效率问题.由于双电层的存在,纳米通道内的压力驱动流可以将机械能和化学能转化为电能.我们在低zeta势以及蠕流的共同假设条件下,得到了转换效率的解析解.结果表明,在一定的参数范围下,相比于直的矩形纳米通道,弯曲矩形纳米通道内的转换效率可以提高约17%.(4)高zeta势下,steric效应对弯曲矩形纳米通道内的电化学能量转换效率的影响.当zeta势较高时,steric效应对纳米通道内的流体流动的电势分布、速度分布以及能量转换效率的影响很大.首先,我们利用有限差分法给出了电势和流体速度的数值解,并根据得到的电势分布和速度分布,求出了相应的能量转换效率.随后,我们分析了转换效率随steric因子的变化趋势.通过比较发现,在一定的参数范围下,steric效应可以将转换效率提高约50%.
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