本文關鍵詞：微量液滴進入雙極板結構的運動控制方法及實驗研究

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【摘要】：微流體控制系統(tǒng)尤其是數(shù)字微流控系統(tǒng)具有實驗試劑消耗小、分析效率高和集成方便等特點,已經(jīng)在化學分析、生物醫(yī)療等領域獲得了非常廣泛的應用。數(shù)字微流控芯片主要分為開放式(單極板)和封閉式(雙極板)兩種,兩種芯片各有優(yōu)缺點,由此單雙極板混合數(shù)字微流控系統(tǒng)應運而生。而液滴在兩區(qū)間的運動就成了必然要求,但是對于大液滴而言,進入狹小雙極板區(qū)十分困難,為了實現(xiàn)了大液滴自發(fā)進入雙極板區(qū)的目的,本文改進了驅動的結構并提出了一種新型的開合式的液滴驅動方式。首先,從理論上研究了液滴進入雙極板區(qū)域的影響因素。整個過程被分為“初始運動”和“壓力運動”兩部分。基于分子動力學理論及COMSOL的仿真,得出“初始運動”受到基板厚度,基板濕潤度,上下極板間距和上極板形狀的影響�；谶@些因素,本文對上極板形狀和厚度進行了優(yōu)化。參考不平行中液滴運動的模型,本文提出了利用開合運動及平行板不對稱結構使液滴的進入狹窄縫隙的方案。其次,我們針對液滴進入雙極板區(qū)的過程進行了數(shù)值仿真�；贠PENGL三維成像庫函數(shù),利用光滑粒子流體動力學(SPH)方法編寫了針對微液滴的仿真程序。模擬了液滴在平面上生成并自發(fā)進入縫隙的過程,詳細研究了參數(shù)對液滴運動過程的影響。通過液滴形成的仿真,驗證了模型的正確性。通過對不同間距縫隙和不同形狀基板的情況下的液滴運動狀態(tài)分析,驗證了上下板間距和上極板形狀的影響作用。最后,液滴進入雙極板區(qū)的過程在實驗上得到了驗證。我們采用Teflon的疏水面,通過對于液滴在不同間隙情況下自發(fā)運動的情況,驗證了理論和仿真的合理性。通過搭建控制平臺,實現(xiàn)了兩基板的相對開合運動,藉此,成功實現(xiàn)了甚至10μL大液滴的向狹窄間隙運動的目的。并在最后將開合運動的控制方式推廣至親水界面。本文研究了液滴進入雙極板區(qū)域的運動,優(yōu)化了液滴運動過程,為之后的液滴運動研究奠定了基礎。
【關鍵詞】：數(shù)字微流控 雙極板 SPH仿真 控制方法
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN492
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-17
• 1.1 課題背景及研究意義10-11
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀11-15
• 1.2.1 數(shù)字微流控發(fā)展現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 液滴在單雙極板上運動的研究現(xiàn)狀12-15
• 1.3 本文主要研究內容15-17
• 第二章 液滴進入雙極板區(qū)域的影響因素分析17-34
• 2.1 引言17
• 2.2 Laplace公式17-19
• 2.3 液滴在單雙極板上的受力模型19-22
• 2.3.1 液滴在單極板上的受力模型19-20
• 2.3.2 液滴在雙極板中的受力模型20-22
• 2.4 液滴進入雙極板區(qū)運動過程模型22-29
• 2.4.1 液滴進入雙極板區(qū)“初始運動”的分析與建模22-27
• 2.4.2 液滴進入雙極板區(qū)“壓力運動”的分析與建模27-29
• 2.5 影響液滴進入雙極板區(qū)域的因素29-32
• 2.5.1 極板界面濕潤度29-30
• 2.5.2 上下極板間距30-31
• 2.5.3 上極板厚度31
• 2.5.4 上極板形狀31-32
• 2.6 本章小結32-34
• 第三章 針對液滴進入雙極板區(qū)運動的優(yōu)化控制方案34-41
• 3.1 引言34
• 3.2 針對液滴運動的結構優(yōu)化及分析34-36
• 3.2.1 上極板厚度優(yōu)化34-35
• 3.2.2 上極板形狀優(yōu)化35-36
• 3.3 有利于液滴進入雙極板區(qū)的運動控制手段36-40
• 3.3.1 上下極板固定的運動控制36-38
• 3.3.2 上下基板可開合運動的運動控制38-40
• 3.4 本章小結40-41
• 第四章 針對液滴進入雙極板區(qū)運動的SPH仿真分析41-58
• 4.1 引言41
• 4.2 SPH方法基本原理及計算流程41-45
• 4.2.1 SPH方法研究進展41
• 4.2.2 SPH方法基本方程41-44
• 4.2.3 核函數(shù)的性質44
• 4.2.4 SPH方法的計算流程44-45
• 4.3 針對液滴運動的SPH數(shù)值算法建模45-49
• 4.3.1 拉格朗日視角下的Navier-Stokes方程46
• 4.3.2 密度的近似算法46-47
• 4.3.3 壓強的近似算法47-48
• 4.3.4 壓力項與粘度項的近似算法48-49
• 4.4 SPH方法在液滴運動中應用的關鍵問題49-51
• 4.4.1 邊界處理49
• 4.4.2 光滑長度選擇49
• 4.4.3 表面張力處理49-51
• 4.5 仿真結果及分析51-57
• 4.5.1 液滴形成的仿真52-53
• 4.5.2 液滴進入不同雙極板間隙的雙極板區(qū)的仿真53-55
• 4.5.3 液滴進入不同上極板形狀的雙極板區(qū)的仿真55-57
• 4.6 本章小結57-58
• 第五章 液滴進入雙極板區(qū)運動控制實驗58-65
• 5.1 引言58
• 5.2 液滴開合運動實驗系統(tǒng)58-59
• 5.2.1 疏水界面58
• 5.2.2 微動平臺58-59
• 5.3 基于不同厚度上基板液滴初始位置的比較59-60
• 5.4 基于疏水界面的不同大小液滴的運動實驗60-63
• 5.5 基于親水界面的大液滴的運動實驗63-64
• 5.6 本章小結64-65
• 第六章 總結與展望65-67
• 6.1 總結65-66
• 6.2 展望66-67
• 參考文獻67-71
• 攻讀碩士學位期間科研成果71-72
• 致謝72-73

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本文編號：691964