微流體驅(qū)動(dòng)是微機(jī)電系統(tǒng)、微流控系統(tǒng)、生物芯片、微型傳感器等微分析系統(tǒng)的核心技術(shù)。由于微尺度流動(dòng)的特殊性,離散微液滴的介電潤濕驅(qū)動(dòng)、連續(xù)微流體的蠕動(dòng)式驅(qū)動(dòng)這兩類典型的微流體驅(qū)動(dòng)以及微流體傳熱方面還存在諸多不明確的問題。針對(duì)這些問題,本文提出了晶格Boltzmann-電流體動(dòng)力學(xué)方法,研究了介電潤濕驅(qū)動(dòng)的離散微液滴運(yùn)動(dòng),并對(duì)基于介電潤濕的變焦液體微透鏡進(jìn)行了分析。從液滴所受電場力的角度揭示了介電潤濕理論無法解釋的接觸角飽和現(xiàn)象;對(duì)傳統(tǒng)的浸入邊界-晶格Boltzmann方法進(jìn)行了改進(jìn)并用于研究蠕動(dòng)流。解決了傳統(tǒng)數(shù)值方法研究蠕動(dòng)流時(shí)對(duì)波幅和波長大小的限制,克服了傳統(tǒng)浸入邊界-晶格Boltzmann方法不滿足無滑移邊界條件的缺點(diǎn),并且避免了邊界變形產(chǎn)生的力的復(fù)雜計(jì)算;提出了耦合的雙分布函數(shù)熱晶格Boltzmann方法并研究了黏性熱耗散和壓縮功對(duì)Rayleigh-Bénard對(duì)流的影響。打破了現(xiàn)有熱晶格Boltzmann方法只適用于滿足Boussinesq近似的熱流動(dòng)限制,擴(kuò)展可熱晶格Boltzmann方法的應(yīng)用范圍。論文的主要工作包括以下幾個(gè)方面:1)提出了一種晶格Boltzmann-電流體動(dòng)力學(xué)方法,研究了介電潤濕對(duì)離散微液滴的驅(qū)動(dòng)機(jī)理。將晶格Boltzmann和電流體動(dòng)力學(xué)理論結(jié)合,采用密度分布函數(shù)描述流場,引入一種新的分布函數(shù)計(jì)算電場,并將電場力耦合到密度分布函數(shù)的演化方程中,實(shí)現(xiàn)了電場與流場的耦合。分析了液滴運(yùn)動(dòng)過程中電場分布情況、液滴形態(tài)、液滴邊緣位置、液滴潤濕長度及接觸角隨時(shí)間的變化過程;研究了電極切換頻率、外加電壓和液體黏度等因素對(duì)液滴速度的影響。該方法較好地揭示了現(xiàn)有理論無法解釋的固-液接觸角飽和現(xiàn)象,可以從液體所受電場力的角度解釋導(dǎo)電液體、介電液體和低表面張力液體形成的液滴的驅(qū)動(dòng)機(jī)理。2)采用晶格Boltzmann-電流體動(dòng)力學(xué)方法研究了基于介電潤濕的變焦液體微透鏡。分析了電壓對(duì)透鏡曲率半徑、透鏡焦距和光焦度的影響,建立了電壓與焦距的關(guān)系;研究了透鏡從凹透鏡到凸透鏡的轉(zhuǎn)變,分析了透鏡變焦的動(dòng)態(tài)演變過程;討論了液體物理性質(zhì)對(duì)透鏡響應(yīng)時(shí)間及系統(tǒng)性能的影響。3)采用改進(jìn)的浸入邊界-晶格Boltzmann方法研究了蠕動(dòng)流的驅(qū)動(dòng)機(jī)理。將變形管壁的運(yùn)動(dòng)速度作為速度源引入晶格Boltzmann方程,避免了傳統(tǒng)浸入邊界-晶格Boltzmann方法中邊界變形產(chǎn)生的力的復(fù)雜計(jì)算,研究了管道內(nèi)的流場分布,分析了各相關(guān)參數(shù)如振幅比、頻率、波數(shù)以及液體黏度對(duì)驅(qū)動(dòng)效果的影響。仿真結(jié)果在較大的振幅比和波數(shù)條件下獲得收斂的解,打破了傳統(tǒng)數(shù)值方法在研究蠕動(dòng)流時(shí)對(duì)波幅和波長大小的限制,克服了它們在處理動(dòng)邊界時(shí)網(wǎng)格重建的困難;克服了傳統(tǒng)浸入邊界-晶格Boltzmann方法不能完全滿足無滑移邊界條件的缺點(diǎn)。4)采用耦合的雙分布函數(shù)熱晶格Boltzmann方法研究了黏性熱耗散和壓縮功對(duì)Rayleigh-Bénard對(duì)流的影響。將溫度的變化以動(dòng)量源的形式引入動(dòng)量演化方程,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)量場和能量場的耦合,打破了現(xiàn)有雙分布函數(shù)熱晶格Boltzmann方法僅限于溫度變化較小的Boussinesq流的限制。分析了不同Rayleigh數(shù)和縱橫比條件下,含黏性熱耗散和壓縮功與不含黏性熱耗散和壓縮功的兩個(gè)Rayleigh-Bénard對(duì)流模型的差異,探索了黏性熱耗散和壓縮功對(duì)微流體傳熱的影響。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH-39
【部分圖文】：

設(shè)備旨在在正確的時(shí)間和位置精確地給藥［２５］。微流體驅(qū)動(dòng)在藥物輸送應(yīng)用中起著逡逑關(guān)鍵作用，它將藥物從藥物貯存器轉(zhuǎn)移到目標(biāo)位置，具有高性能、高精度和高可逡逑靠性。藥物輸送系統(tǒng)的簡化系統(tǒng)如圖１．１所示，該系統(tǒng)可以通過控制器精確計(jì)算逡逑出適當(dāng)和有效的給藥量，并通過微泵等器件在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間釋放藥物。控制藥物釋逡逑放的好處包括定點(diǎn)給藥、減少副作用和提高療效等。逡逑藥物u?存器邐？微栗邋邐？（流置傳感器）＾逡逑邐？控制器邋？—信號(hào)調(diào)節(jié)器逡逑圖１．１給藥系統(tǒng)示意圖逡逑微流體驅(qū)動(dòng)的第一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是胰島素輸送系統(tǒng)［２６］，它可以在不需要頻繁注逡逑射的情況下將糖尿病患者的血糖水平維持在理想水平。一種通用的胰島素輸送系逡逑統(tǒng)包括一個(gè)胰島素貯存器、一個(gè)將胰島素從貯存器泵送到血管的微型泵和一個(gè)控逡逑制系統(tǒng)�？刂葡到y(tǒng)的目的是測量體內(nèi)血糖水平并向控制器發(fā)送信號(hào)對(duì)流量進(jìn)行精逡逑確控制。同樣，在藥物輸送系統(tǒng)中，微泵也得到廣泛應(yīng)用。集成的藥物輸送系統(tǒng)逡逑具有與胰島素輸送系統(tǒng)相似的組成部分。Ｃｏｂｏ等人提出一種具有低功耗電解逡逑致動(dòng)器的無線植入式微泵，用于癌癥患者的慢性給藥。該裝置由一對(duì)交叉的鈿電逡逑極和用可膨脹聚對(duì)二甲苯波紋管密封的電解液組成。在電解激活過程中，波紋管逡逑５逡逑

表面產(chǎn)生負(fù)電荷，從而吸引溶液中帶正電的離子，在固－液界面處形成逡逑雙電層。在通道兩端施加電壓，雙電層內(nèi)的陽離子在外加電場作用下向陰極移動(dòng)，逡逑通過黏性作用拖曳周圍液體分子一起運(yùn)動(dòng)，其工作原理如圖１．３所示。電滲驅(qū)動(dòng)逡逑由于其無機(jī)械可動(dòng)部件、操作簡單、可控性好且流動(dòng)峰面較為平整的特點(diǎn)％］，可逡逑以提高微量液體的驅(qū)動(dòng)效率和精度。但該驅(qū)動(dòng)方法也存在一些局限性，如驅(qū)動(dòng)所逡逑需電壓較高、只能驅(qū)動(dòng)可產(chǎn)生電滲流的介質(zhì)、長時(shí)間工作穩(wěn)定性較差、電滲流對(duì)逡逑通道表面性質(zhì)敏感等。逡逑：、逡逑ｌｉｉｓｐｐｐｉ．邐逡逑圖１．３電滲驅(qū)動(dòng)原理逡逑電流體驅(qū)動(dòng)：電場力是很重要的微流體驅(qū)動(dòng)源。在傳統(tǒng)的機(jī)械（壓力）驅(qū)動(dòng)方逡逑式的微流控系統(tǒng)操作中，要達(dá)到一定的流量需求，往往需要采用很高的壓差來實(shí)逡逑現(xiàn)，而電驅(qū)動(dòng)方式利用表面力代替體積力就能解決這一問題［３６］。電流體動(dòng)力微泵逡逑的工作原理是外加電場作用于流體中的帶電離子，離子的遷移會(huì)拖動(dòng)整個(gè)流體流逡逑動(dòng)。這類微泵不需要機(jī)械活動(dòng)部件，加工難度較低，但它對(duì)所驅(qū)動(dòng)的液體的介電逡逑性質(zhì)要求較高，應(yīng)用局限性較大。逡逑磁流體驅(qū)動(dòng)：導(dǎo)電液體在電場和磁場中的流動(dòng)［３７］。磁流體微泵結(jié)構(gòu)簡單

方程的直接數(shù)值模擬方法中，壓力滿足以速度應(yīng)變?yōu)樵吹牟此煞匠�，�?shù)值求解該逡逑壓力方程非常困難，通常需要進(jìn)行特殊處理，比如迭代或松弛，而ＬＢＭ可以通逡逑過狀態(tài)方程計(jì)算壓力，因此它避免了通過求解泊松方程來獲得壓力場。圖１．５比逡逑較了不同層次的數(shù)值模擬方法。逡逑微流體研究逡逑１邐Ｉ邐１逡逑宏觀邐介觀邐微觀逡逑１邐Ｉ邐１逡逑Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程邐Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方柯：邐漢密爾頓方程逡逑邐±邐邋邐Ｉ邐邋邐邋邐逡逑有限元、有限差分等邐品格Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法邐分子動(dòng)力學(xué)方法逡逑：一…」：邐１邐 …」：……：逡逑：邐！邐粒＋演化過程消？晰邐ｊ邐｜逡逑｜忽視微流動(dòng)特殊性丨邐邊界條件易處理邐；邐計(jì)貨ｆＳ：Ｌｉ大邐｜逡逑并行性、擴(kuò)展性邐丨邐！逡逑Ｌ邐Ｉ邐邐邋＇邐＇逡逑圖１．５不同層次的數(shù)值模擬方法逡逑１．４晶格Ｂｏ丨ｔｚｍａｎｎ方法研究進(jìn)展逡逑從歷史上看，ＬＢＭ源自格子氣自動(dòng)機(jī)（ＬＧＡ）。在ＬＧＡ中，流體被建模為一逡逑系列的離散粒子，這些粒子在相應(yīng)的時(shí)步（時(shí)間離散）下以一定的格子速度（速逡逑１２逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 甘云華;徐進(jìn)良;;水和甲醇在硅基微通道中換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[J];自然科學(xué)進(jìn)展;2005年12期

本文編號(hào)：2817774