【摘 要】
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近年来,随着微流体和纳米流体的发展,微尺度传输和分选技术在微电子机械系统(MEMS)、生物、化学和医学领域以及微电子器件的热控制等领域得到了广泛的应用(13)最初人们采用在宏观尺度常用的单一的压力梯度来维持微流体的流动.然而,研究人员逐渐认识到单压力驱动机制的缺陷,如摩擦引起的能量损失、无法在微型器件中实现精确操作等.因此,人们一直在努力寻找更为理想的微尺度流动驱动机制.随着芯片实验室技术的迅速发
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近年来,随着微流体和纳米流体的发展,微尺度传输和分选技术在微电子机械系统(MEMS)、生物、化学和医学领域以及微电子器件的热控制等领域得到了广泛的应用(13)最初人们采用在宏观尺度常用的单一的压力梯度来维持微流体的流动.然而,研究人员逐渐认识到单压力驱动机制的缺陷,如摩擦引起的能量损失、无法在微型器件中实现精确操作等.因此,人们一直在努力寻找更为理想的微尺度流动驱动机制.随着芯片实验室技术的迅速发展,电渗驱动以其设计要求简单、缺少运动元件、样品分散性小、电路可重构性强等优点在微流控器件中得到了广泛的应用.由于在许多实际应用中,人们使用的缓冲液和溶液都是导电的,近年来电场和磁场联合驱动的机制也受到越来越多的关注(13)电磁微管道具有制作简单、工作电压低、能产生双向流动等优点,在化学和生物医学研究过程中也被广泛应用.但是,在大部分的电磁流的研究中,都假设速度在壁面处是无滑移的.然而,随着人们对微流控系统研究的深入,学者们逐渐发现这一假设不总是成立的.尽管人们对所诱发的滑移的大小还有很多争议,但是通过直接的测量技术以及分子动力学模拟可以知道滑移长度通常在几十纳米到几微米之间取值.这种范围与微流体和纳米流体装置的实际尺寸相当.这表明,在微纳流动中可能存在相当大的滑移效应.所以,我们有必要讨论在磁场作用下的考虑壁面滑移效应的流体运动.因此,本文将围绕压力、电场及磁场混合驱动机制下,研究微纳流体装置中不同流体系统的流动、传热、熵产生以及考虑壁面滑移效应的微流体流动问题,阐述微流体在电磁场作用下的电渗流动和滑移流动现象,深入了解电磁场、流场和温度场等多场耦合机理和规律,探索牛顿流体和非牛顿流体在外加垂向磁场作用下电渗流的流场、温度场和熵产生的变化机理;通过理论分析,给出在磁场作用下的电渗流体相比于单纯电渗流流体系统在提高流率以及降低焦耳热效应方面的优势以及模式滑移在增加微流体混合率方面的应用.具体内容包含以下三个方面:(1)矩形微管道内磁流体电渗流的流动及传热问题.我们研究了矩形微管道中,在磁场作用下牛顿流体电渗流的流动及传热问题.矩形管道中的流体由压力、电渗力及电磁力混合驱动.我们首先给出了二维情形下的速度分布的解析表达式,进而在壁面热流均匀的边界假设下以及同时考虑粘性耗散、焦耳热和电磁耦合热对温度的影响,利用有限差分给出了流体温度和努赛尔数的分布.结果显示,外加横向电场对控制流体流动有明显效果.并且新增加的横向电场导致流体速度和温度分布随哈德曼数变化时呈现先增加后减少的趋势,而没有横向电场时该变化趋势只有单一的减少趋势.(2)平行板间非牛顿流体的磁流体电渗流的流动、传热及熵产生研究.我们开展了平行板间非牛顿流体(主要是三级流体)的磁流体电渗流的流动、传热和熵产生研究.微导电的三级流体在电场和磁场共同作用产生的洛伦兹力作用下发生流动.首先,在单向流动假设下,我们利用切比雪夫谱方法给出了三级流体的速度.基于获得的速度的数值分布,我们进一步讨论了三级流体的热传输特性和熵产生问题.结果表明,温度和努赛尔数均随非牛顿物理参数的增大而减小,但局部熵和总熵的产生率变化趋势是相反的,说明三级流体非牛顿参数可以促进局部熵的产生.而且我们还发现增加非牛顿参数会导致临界哈特曼数的增加.(3)模式滑移边界条件下磁流体的流动问题.我们考虑了在平行微通道边界处满足模式滑移条件的牛顿流体在洛伦兹力驱动下的流动问题.在单向流动和小雷诺数假设的前提下,我们首先利用摄动展开方法得到了流体的近似解析速度分布,同时利用有限差分方法给出了一般雷诺数下流速场的数值解.我们首先验证了解析解和数值解的图像吻合很好.随后,我们详细讨论了不同物理参数对滑移速度和体积流率的影响,包括波数、哈特曼数、滑移长度和电场强度等.结果表明,微通道壁面上的模式滑移会引起横向流动,从而导致微流控器件中流体混合速率的增加.此外,我们还发现,通过控制磁场强度、波数和选择合适的电场强度,可以实现精确的流量控制.进而我们的模型可用于高效微流体混合器的设计.
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