超声微纳操控技术利用超声场的物理效应如声辐射力和声流场等,来实现微纳样品的捕捉、旋转、聚集和释放等功能。相较于其他类型的微纳操控方法,基于声学效应的超声微纳操控技术具有对被操控物体的选择性低、对生物样品损伤小、操控形式多样和设备廉价等优点。但是在本工作之前,对超声微纳操控技术中的声流场的研究并不完整,有限元仿真计算效率低。因此,有必要对超声微纳操控技术中的声流场进行更为深入的研究。本论文的主要研究内容和成果如下:1.基于声场基本理论和已有的声流场理论,通过推导,得到了声流场理论中作为驱动力之一的二阶声压的时间平均值的具体表达式,从而使整个声流场理论体系得到完善。利用COMSOL Multiphysics有限元软件中的声场和流场模块,建立了声流场的仿真计算方法。2.利用完善后的声流场理论可以仿真出二维矩形腔体中由行波声场产生的声流场。通过与经典的流场解析解相比较,验证了完善后的声流场理论的正确性。通过改变振源的频率和长度、振源之间的距离和初相位差等参数,得到了声流场随励振条件的变化规律。进一步的有限元计算揭示了介质中颗粒的存在以及介质温度的改变对声流场的影响规律。3.针对超声针-液滴-基板系统在超声针下方形成微纳颗粒的叶状聚集斑点的实验现象,对基板上声流场以及系统结构参数对声流场的影响进行了有限元计算分析。计算结果不仅能很好地解释系统的工作原理,而且揭示了声流场对微纳颗粒聚集特性的影响规律。此处的聚集特性是指微纳颗粒聚集能力对超声针到基板之间的距离、超声针的半径、液滴的高度与半径、超声针截面形状等参数的依存性。声流场对微纳颗粒聚集特性的影响规律可用于超声针-液滴-基板系统的聚集特性优化。4.针对超声针-液滴-基板系统在液滴中产生复杂螺旋涡并将纳颗粒聚集到涡流中心的实验现象,对基板上的涡流场进行了实验与理论分析。实验与有限元计算均表明:通过改变超声针在液滴中的振动分布,可改变螺旋涡的数目,从而改变聚集斑点的数目。在实验中还发现该螺旋涡是一种越靠近涡流中心流速越小的复杂涡流,因而有利于将被聚集的纳颗粒稳定在涡流中心。另外,通过对颗粒进行动力学分析,得到了为实现纳颗粒聚集,复杂螺旋涡需满足的充要条件。5.针对超声纳米钳捕捉液滴与基板交界面处单根纳米线的实验现象,对微探针附近的声流场以及不同结构参数对声流场的影响进行了有限元计算分析。计算结果不仅能很好地解释系统的工作原理,而且揭示了声流场对纳米线捕捉特性的影响规律。此处的捕捉特性是指捕捉纳米线的能力对微探针到基板之间的距离、针的半径与长度、液滴的高度等参数的依存性。声流场对纳米线捕捉特性的影响规律可用于超声纳米钳的捕捉特性优化。6.通过理论推导,得到了由不同频率的多个振源所产生的声流场的计算方法。利用此方法计算了正七边形腔体中多个振源振动时所产生的声流场,并对其进行了实验验证。这部分的有限元计算表明:相比单频声流场,多频声流场更复杂,声流场的分布与振源的位置、振源的数目、振源的频率和振幅均有关系,多频声流场分布呈现多样性。多频声流场分布的多样性为拓展超声微纳操控功能提供了另一个新途径。