【摘 要】
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微流控是在微纳米尺度通道内驱动和操控流体流动的一项多学科交叉的科学和技术,近年来已在热控制系统,生物传感器,化学传感器,物质的混合与分离装置,药物传输系统以及能源获取装置等领域得到了广泛的应用.其中微纳通道内的电动能量转换已逐渐成为可再生能源开发的新途径之一.相比于传统恒定粘性的流体流动,在高压驱动下,流体的粘性在宏观流动中会随着压力发生变化,如聚合物加工,药片剂制造,原油和燃料油的抽运,流体膜润
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微流控是在微纳米尺度通道内驱动和操控流体流动的一项多学科交叉的科学和技术,近年来已在热控制系统,生物传感器,化学传感器,物质的混合与分离装置,药物传输系统以及能源获取装置等领域得到了广泛的应用.其中微纳通道内的电动能量转换已逐渐成为可再生能源开发的新途径之一.相比于传统恒定粘性的流体流动,在高压驱动下,流体的粘性在宏观流动中会随着压力发生变化,如聚合物加工,药片剂制造,原油和燃料油的抽运,流体膜润滑等.此外,对于微尺度流动,实验研究表明,流体的粘性很大程度上也依赖于高压.基于流体粘性依赖于压力这一物理特征,本文将通过理论分析对微纳流体装置中牛顿流体,粘弹性流体以及弱可压缩流体的电动流动和能量转换展开研究.给出相关参数,如压力粘性系数,Weissenberg数,松弛系数,压缩性系数对流向势,速度,流体粘性以及电动能量转换效率的影响.具体问题包含以下四个方面:（1）粘性依赖压力下牛顿流体的电动流动和能量转换效率.首先研究了在圆柱形纳米通道中,粘性依赖压力下不可压缩牛顿流体的电动流动及电动能量转换效率问题.与恒定粘性的电动流动相比,在考虑粘性依赖压力的影响下需要求解二维非线性动量方程.通过小参数展开法得到了轴向和径向速度,压力,流向势以及转换效率的渐近解.结果显示,压力粘性系数能够提高流向势.当压力粘性系数较大时,压力分布呈现出明显的非线性特征.较大的压力粘性系数会降低电动能量转换效率.（2）粘性依赖压力下粘弹性流体的电动流动和能量转换效率.在平行板纳米通道中,考虑粘性指数型依赖压力下不可压缩粘弹性流体的电动流动和电动能量转换效率.通过小参数展开法求解二维的粘弹性流体动量方程,得到速度,压力,流向势和能量转换效率的渐近解.结果表明在Weissenberg数小于临界值时,流向势随着压力粘性系数的增加呈现一个增加的趋势,然而,在Weissenberg数大于临界值时,可以观察到一个减小的趋势.Weissenberg数对零阶的速度无显著影响,但是对一阶和二阶速度影响较大,并且随着Weissenberg数的进一步增加,流动速度剖面出现波状,而不是经典的抛物型.考虑粘性依赖压力效应时,粘弹性流体的电动能量转换效率会随着Weissenberg数的增加而逐渐降低.（3）粘性和松弛时间依赖压力下粘弹性流体在滑移纳米通道中的电动流动和能量转换效率.在滑移壁面的平行板纳米通道中,研究了粘性和松弛时间依赖压力下不可压缩粘弹性流体的电动流动与电动能量转换效率.通过小参数展开法,获得速度和压力的二阶渐近解.结果表明,随着松弛系数的增加,流体粘性逐渐增加,但是流向势和电动能量转换效率逐渐降低.考虑粘性和松弛时间依赖压力效应时,滑移长度导致粘弹性流体的粘性减弱,但可以提高粘弹性流体的流向势和电动能量转换效率.（4）粘性和密度依赖压力下弱可压缩流体的电动流动和能量转换效率.在粘性和密度依赖压力下,考虑了平行板纳米通道中弱可压缩流体的电动流动和能量转换效率.通过小参数展开法,耦合求解连续性方程和动量方程,获得二维流动速度和压力的二阶渐近解.结果表明,流向势和流体粘性随压缩性系数的增大而减小.电动能量转换效率随压缩性系数的增大而增大.这一现象也说明,为了从电动能量转化装置中获得更高的电动能量转换效率,可压缩流体将优于不可压缩流体.
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