【摘 要】
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声镊作为一种无接触式的微纳米颗粒操控技术,在物理、化学、生物医学等领域中发挥着重要的作用。目前对声镊系统的研究主要集中于矩形截面和圆形截面通道内的声流体效应以及颗粒的声学动力学行为,但对三角形等异形截面通道内的声流体形态及其在微纳尺度颗粒操控上的应用还缺乏系统的研究。本文以正三角形截面谐振腔为主要研究对象,通过建立缩减的流场数值模型和超声微流控实验装置,从仿真和实验的角度探究不同结构三角形截面通道
【基金项目】
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国家自然科学基金(11804060);
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声镊作为一种无接触式的微纳米颗粒操控技术,在物理、化学、生物医学等领域中发挥着重要的作用。目前对声镊系统的研究主要集中于矩形截面和圆形截面通道内的声流体效应以及颗粒的声学动力学行为,但对三角形等异形截面通道内的声流体形态及其在微纳尺度颗粒操控上的应用还缺乏系统的研究。本文以正三角形截面谐振腔为主要研究对象,通过建立缩减的流场数值模型和超声微流控实验装置,从仿真和实验的角度探究不同结构三角形截面通道内的声流体形态和微纳米颗粒的声学动力学行为,为更复杂异形截面通道在超声微纳操控上的应用奠定理论和实验基础。论文的主要工作如下:(1)建立了缩减的流场数值模型,阐明了正三角形谐振腔内不同尺度微纳米颗粒的声学动力学机理。基于亥姆霍兹方程,通过COMSOL5.5仿真软件求解了正三角形截面谐振腔在各特征频率下声场模态,利用Gorkov方程求解了各声场模态下的声辐射力分布及其主导的微米尺度颗粒的运动。建立了应用于求解三角形截面谐振腔内声流形态的极限速度法,模拟不同声场下的外声流形态,进而得出了纳米尺度颗粒的运动规律。(2)搭建了基于正三角形谐振腔的超声微流控装置,设计了高效的光学观测方法,实现了对通道截面上不同尺寸颗粒在不同声场下的声学动力学行为的定量表征,验证了数值理论模型。特别地,首次从实验上发现了非对称驻波场下内存在声流分离点与声压节点平面空间分离现象,验证了近期文献中相关理论模型。(3)以正三角形截面谐振腔数值模型为指导,建立了通用的等腰三角形数值模型,求解了不同角度等腰三角形谐振腔内的声场模态、外声流形态和不同尺寸微纳米颗粒的声学动力学行为,为不同角度等腰三角形谐振腔在超声微纳操控上的应用提供了指导。
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