發(fā)布時間：2018-03-18 16:48

  本文選題：微流控芯片　切入點：拓撲優(yōu)化　出處：《中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：微流控技術(shù)是近三十年發(fā)展起來的一項高新技術(shù),已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、生物和環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,具有高效、便攜、微尺度效應(yīng)等特點。微流控芯片是微流控技術(shù)的載體,主要功能部件包括微閥、微泵、微混合器以及管道網(wǎng)絡(luò)等。因此,微流控芯片中這些功能部件的設(shè)計及優(yōu)化決定了微流控芯片的可靠性、穩(wěn)定性及集成化程度。拓撲優(yōu)化方法是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要工具,尺寸及形狀優(yōu)化只是在已有拓撲結(jié)構(gòu)上進行,不僅對設(shè)計者的經(jīng)驗依賴性大且對結(jié)構(gòu)的性能提升有限,而拓撲優(yōu)化方法能夠在設(shè)計者缺乏經(jīng)驗的情況下尋找到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲,并能夠同時進行一定程度的尺寸及形狀優(yōu)化,有助于實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計,在保證結(jié)構(gòu)功能實現(xiàn)的前提下最大程度的提升性能。因此本文采用拓撲優(yōu)化方法對微流控芯片進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。壓力驅(qū)動和電滲驅(qū)動是目前微流控技術(shù)中最為常見的兩種驅(qū)動方式,基于壓力驅(qū)動的流體流動拓撲優(yōu)化方法已經(jīng)非常成熟,包括傳統(tǒng)的變密度法和水平集方法等。然而基于電滲驅(qū)動的流體流動拓撲優(yōu)化方法發(fā)展緩慢,一方面是由于從壓力驅(qū)動到電滲驅(qū)動,較為單一的流場問題變成了流場、電場和離子濃度場的耦合問題,增加了優(yōu)化模型的復(fù)雜程度;另一方面,雙電層的厚度相對于微管道的尺度通常要小兩到三個數(shù)量級以上,此時電滲驅(qū)動的流體流動拓撲優(yōu)化問題也是多尺度優(yōu)化問題,增大了計算難度。因此,本文從改進拓撲優(yōu)化方法和簡化物理模型兩個方面解決上述問題。變密度法和水平集方法是應(yīng)用最為廣泛的兩種拓撲優(yōu)化方法,兩種優(yōu)化方法各有優(yōu)缺點,為了克服這些缺點并充分利用它們的優(yōu)點,近年來出現(xiàn)了拓撲描述函數(shù)方法和參數(shù)化水平集方法,兩者的共同點都是引入基函數(shù)對水平集函數(shù)進行插值顯式表達。由于電滲驅(qū)動的驅(qū)動力沿管壁切線方向分布,所以本文采用可以描述邊界演化的參數(shù)化水平集方法,并對其進行了拓展,與傳統(tǒng)變密度法相比,該方法能夠有效減少設(shè)計變量的數(shù)量,并且具有清晰的演化邊界;與傳統(tǒng)的水平集方法相比,該方法迭代步數(shù)少,不需要進行重新初始化,并且可以使用成熟的優(yōu)化算法。本文先將拓展參數(shù)化水平集方法應(yīng)用到懸臂梁結(jié)構(gòu)剛度最大化的優(yōu)化問題中,驗證了算法的有效性和魯棒性。本文還將拓展參數(shù)化水平集方法應(yīng)用到無體力定常Navier-Stokes流體流動拓撲優(yōu)化問題中,推導(dǎo)了連續(xù)伴隨方程和伴隨敏度,并利用經(jīng)典算例進行驗證,發(fā)現(xiàn)不同大小磨光參數(shù)下的拓撲優(yōu)化呈現(xiàn)出完全不同的特點�；谝陨贤卣箙�(shù)化水平集方法理論和數(shù)值實驗的經(jīng)驗,本文使用拓展參數(shù)化水平集方法對誘導(dǎo)電滲流微泵進行了拓撲優(yōu)化,與傳統(tǒng)變密度法相比,最終結(jié)果中結(jié)構(gòu)邊界更加清晰,并且中間密度值更少,提高了結(jié)果的準確性;和傳統(tǒng)水平集方法相比,不同交變電壓頻率下的誘導(dǎo)電滲流流量都有不同程度的提升。為了將拓撲優(yōu)化方法應(yīng)用到管道尺寸較大情況下的電滲流動中,本文使用Helmholtz-Smoluchowski電滲流滑移邊界條件代替電滲流模型中的雙電層,簡化了物理模型,然后使用和Brinkman懲罰模型類似的懲罰項,將隱式邊界上的滑移邊界速度條件添加到Navier-Stokes方程中,推導(dǎo)了問題的連續(xù)伴隨方程和伴隨敏度,并利用拓展參數(shù)化水平集方法進行優(yōu)化。最后本文在前人微混合器拓撲優(yōu)化的基礎(chǔ)上提出了一種新的直流電滲微混合器,該混合器能夠有效減少電極數(shù)量和電極上的電壓,從而降低制造難度和成本。
[Abstract]:Microfluidic technology is a new technology developed in recent thirty years, has been in the medical, biological and environmental fields has been widely used, which is efficient, portable, micro scale effect and so on. The microfluidic chip is the carrier of microfluidic technology, the main features include micro valve, micro pump, micro mixer and pipe network etc. Therefore, determines the reliability of microfluidic chip design and optimization of these functional components in microfluidic chip, stability and integration degree. The topology optimization method is an important tool for engineering design of the structure, size and shape optimization was done in existing topology, not only on the experience of the designer and enhance the dependence of Co. the performance of the structure and topology optimization method can find the optimal topology in the designers lack of experience, and also the size and shape of a certain degree of optimization, Contribute to the realization of innovative design, improve the performance to ensure the greatest degree of structure under the premise to realize the function. So this paper uses the method of topology optimization for structure optimization design of the microfluidic chip. The pressure driven and electroosmotic driven microfluidic technology is currently the two most common drive mode, the pressure driven fluid flow topology optimization based on the method has been very mature, including the traditional variable density method and level set method. However, electroosmotic flow topology optimization method based on the slow development, one is driven by pressure from the driver to the electroosmotic flow problem, is a single into a flow field, the coupling problem of electric field and ion concentration field, increase the complexity optimization model; on the other hand, the thickness of the double layer relative to the micro channel are usually small scale of two to three orders of magnitude, the electroosmotic flow of fluid Is the multi-scale optimization problem of dynamic topology optimization problem, increases the difficulty of calculation. Therefore, the improved topology optimization method and solve the problem in two aspects. The simplified physical model of variable density method and level set method is used most widely two kinds of topology optimization methods, two kinds of optimization methods have advantages and disadvantages, in order to overcome these shortcomings and make full use of their advantages, in recent years the topology description function method and parametric level set method, the similarities are the basic functions of the level set function are explicit expression. Due to the driving force electroosmotically driven distribution along the tangent direction of tube wall, so the parametric level can be described the evolution of the boundary set method, and analyzes its development, compared with the traditional variable density method, this method can effectively reduce the number of design variables, and with clear boundary evolution; Compared with the traditional level set method, the method of minimum iterations, without re initialization, and can use the mature optimization algorithms. This paper first will expand the parametric level set method is applied to the cantilever beam structure stiffness maximization optimization problems, to verify the effectiveness and robustness of the algorithm. This paper also will expand the parametric level set method is applied to the unsteady flow of a Navier-Stokes fluid physical topology optimization problem, deduces the continuous adjoint equation and adjoint sensitivity, and the use of the classic examples validate that different size of polishing parameters under the topology optimization has completely different characteristics. The above extended parametric level set theory and method numerical experiments based on the experience of topology optimization on the induced electroosmotic flow micropump using extended parametric level set method, compared with the traditional variable density method, the structure of the final results The boundary more clearly, and the intermediate density value, improve the accuracy of the results; and compared to the traditional level set method, the different frequency of the alternating voltage induced electroosmotic flow have different degrees of improvement. For the topology optimization method is applied to the case of large size pipeline electroosmotic flow, this paper uses Helmholtz-Smoluchowski electric double layer seepage slip boundary condition instead of electric seepage model, simplified physical model, and then use the Brinkman model similar to the penalty punishment, add the slip boundary conditions on the boundary velocity implicit to Navier-Stokes equation, continuous adjoint equation and the adjoint sensitivity problem is derived, and the use of extended parametric level optimization set methods. Finally, this paper proposes a new DC electroosmosis micromixer based on previous micro mixer topology optimization, the mixer can effectively Reduce the number of electrodes and the voltage on the electrode, thereby reducing the difficulty and cost of manufacturing.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN402

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本文編號：1630454