微流体中电渗透流混合器中的流动特性研究开题报告
2020-02-20 10:02
1. 研究目的与意义（文献综述）
近年来，微流体器件在生物检测、生物技术、化学反应器、医学和环境监测等领域得到了广泛的应用。为了促进化学和生物反应，常常需要混合和泵送各种试剂和化学品。由于微器件的特征长度通常很小，有效的混合速度太慢，在低扩散率的情况下难以实现。同时，这类微通道中液体流动的雷诺数通常很小，通常用来增强混合的湍流是无法实现的[1]。因此，需要更高效的微器件来提高搅拌效率。
通常,微混合器可分为被动混合和主动混合两类[2]。被动混合无外部能源设备，主要是利用特殊的微通道几何结构来破坏微流体的层流状态，以此增加流体之间的接触面积。许多学者做了一些有意义的研究工作。例如buchegger[3]等人提出了一种具有四个楔形入口通道的多层叠微混合器，用于在低毫秒范围内实现快速、高度均匀的流体混合。liu [4]等人在硅片上制备了具有“c”形重复单元的三维蛇形微通道，通过混沌平流被动增强了混合。yi和bau[5]在低温共烧陶瓷带中设计了一种二维蛇形管，他们利用弯曲诱导的涡流来搅拌液体，并增强了混合过程。wang和lin[6]构建了一种螺旋微通道的无源混沌微混合器，获得了更高的混合效率。jeon等[7]设计了两种类型的被动式微混合器，通过在微通道内布置圆形、矩形和菱形障碍物与z字形通道来提高混合效果。 stroock等人[8]研究了微通道内肋形面产生混沌对流的混合过程，微通道内流场的改变可以通过变换微通道入口结构，或在微通道内布置不同的障碍来实现。yang等人[9]基于有限元法模拟了带有矩形粗糙元的微通道内溶液混合过程，研究了粗糙元高度和间距等对微混合效率的影响。金涌等人[10]通过数值模拟与实验对比研究了微通道中液滴内部的混合行为，研究表明，液滴在运动中发生形变可以有效缩短传质距离, 增强混合效率。这类被动式微混合器大多有着比较复杂的几何特性，在微观尺度上有难以制造和封装的缺点。
主动混合一般通过引入外部能源来提高微通道内的混合效率。根据外部能源类型的不同，主动式微混合器又可以分为磁流体动力式、电渗式、电流动力式、脉动流/压力式等不同类别[11]。电场驱动下的电渗流(electroosmoticflow，eof)是指微通道内双电层扩散区带电离子在外加电场驱动下使电解质溶液相对于静止壁面运动[12]。电渗微混合可以应用电渗流(eof)产生混沌流动状态， 扭曲流线，生成旋涡，最大限度的增加不同液体的接触面，进而有效提高液体的微混合效率[13]。且由于eof具有操控方式简单、流型成扁平状、可降低和消除液体驱动过程中的分散效应等优点，是微流控芯片分析系统中研究和使用最广的驱动和控制技术[14]。zhang等[15]通过诱导电渗产生涡流以控制通道内溶液的流速，设计了一种能够提高混合效果的主动式微混合器。cho等人[16]通过在十字型微通道内诱导产生周期性变化的电动流来产生扰动进而提高了微通道内的混合效率。wang等人[17, 18]应用格子玻尔兹曼方法，对表面存在异构zeta电势的微通道内流体流动和混合进行了数值模拟研究。alizadeh等[19, 20]利用格子玻尔兹曼方法模拟了温度不平衡对电渗微混合的影响。jain等人[21]和nayak[22]研究了通过布置异构表面电势来增强微/纳通道内牛顿流体混合效果的方法。唐桂华等人[23]应用格子玻尔兹曼方法，研究了壁面粗糙元与非均匀对称电势分布等对微通道混合效果的影响。lin等[24]采用格子玻尔兹曼方法研究了交变电场和压力场作用下，壁面非均匀zeta电势附近漩涡的变化，实现了eof混合的调控。王阳等人[25]使用有限元方法研究了微通道中溶液离子浓度对电渗流及其混合的影响。徐涛，李鸣[26]使用有限元方法对平板微通道内非牛顿幂律流体的混合特性进行数值模拟，探讨了幂律流体的非牛顿效应对溶液微观混合的影响。申力，李鸣等人[27]基于pnp模型对平板微通道内非牛顿幂律流体电渗流进行有限元模拟，讨论四种重要参数对幂律流体双电层电势和电渗流速度的影响规律。周腾，王瀚林等人[28]基于电渗效应及对流扩散方程，研究了一种新的主动式交流电场促进型微流体混合器。
2. 研究的基本内容与方案
2．1研究内容
绝大多数固体和极性溶液接触时表面会发生电离，从而带有电荷，吸引溶液中的异性离子，排斥同性离子，影响了壁面附近溶液离子的分布，形成双电层。如果施加一个平行于壁面的电场，双电层内带电离子在电场力的作用下带动周围液体运动，形成电渗流。利用电渗现象形成的电渗微泵或电渗流，具有无活动部件、操作方便和流型扁平等诸多优点，已成为微流控系统中最常用的驱动控制方式，在生化的微实验室中有着广泛而重要的作用。本文主要通过运用软件对电渗透流混合器进行仿真建模，模拟电渗流混合器运行状况并分析电渗透流混合器内流体的流动特性。
2．2研究目标
3. 研究计划与安排
第1—3 周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需技术方案及措施，确定方案，完成英文翻译，文献阅读并完成开题报告和文献综述；
第4周：学习使用comsol multiphysics软件，搜集电渗流混合器相关参数，完成电渗透流混合器的数值模型建立；
第5-8周：基于comsol multiphysics软件，实现对电渗透流混合器的数值模拟；
4. 参考文献（12篇以上）
| [1] Qian S, Bau H H. Magneto-hydrodynamics basedmicrofluidics[J]. Mechanics Research Communications, 2009, 36(1): 10-21. [2] Lee C Y, Chang C L, Wang Y N, et al. Microfluidicmixing: a review[J]. International journal of molecular sciences, 2011,12(5): 3263-3287. [3] Buchegger W, Wagner C, Lendl B, et al. A highly uniformlamination micromixer with wedge shaped inlet channels for time resolvedinfrared spectroscopy[J]. Microfluidics and Nanofluidics, 2011, 10(4):889-897. [4] Liu R H, Stremler M A, Sharp K V, et al. Passive mixingin a three-dimensional serpentine microchannel[J]. Journal ofmicroelectromechanical systems, 2000, 9(2): 190-197. [5] Yi M, Bau H H. The kinematics of bend-induced mixing inmicro-conduits[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2003, 24(5):645-656. [6] Wang R, Lin J. Numerical analysis on a passive chaoticmicromixer with helical microchannel[J]. Journal of nanoscience andnanotechnology, 2006, 6(1): 190-194. [7] Jeon W, Shin C B. Design and simulation of passivemixing in microfluidic systems with geometric variations[J]. Chemicalengineering journal, 2009, 152(2-3): 575-582. [8] Stroock A D, Dertinger S K W, Ajdari A, et al. Chaoticmixer for microchannels[J]. Science, 2002, 295(5555): 647-651. [9] Yang D Y. Numerical analysis of micro-mixing in roughmicrochannels[C]//Advanced Materials Research. Trans Tech Publications, 2011,189: 1452-1455. [10] 金涌, 邵婷, 赵述芳, 等. 微通道中液滴内部混合过程的 μ-LIF 可视化和 LBM 模拟[J]. 化工学报, 2012,63(2): 375-381. [11] 姜枫,刘国君,杨志刚,王腾飞,唐春秀,梁实海.微混合器的研究现状[J].微纳电子技术,2016,53(03):166-176. [12] 杨大勇, 王阳. 微通道中电渗流及微混合的离子浓度效应[J]. Applied Mathematics amp; Mechanics (1000-0887),2015, 36(9). [13] Loucaides N, Ramos A, Georghiou G E. Configurable ACelectroosmotic pumping and mixing[J]. Microelectronic Engineering, 2012, 90:47-50. [14] Dutta P, Beskok A. Analytical solution of combinedelectroosmotic/pressure driven flows in two-dimensional straight channels:finite Debye layer effects[J]. Analytical chemistry, 2001, 73(9): 1979-1986. [15] Zhang F, Daghighi Y, Li D. Control of flow rate andconcentration in microchannel branches by induced-charge electrokineticflow[J]. Journal of colloid and interface science, 2011, 364(2): 588-593. [16] Oddy M H, Santiago J G, Mikkelsen J C. Electrokineticinstability micromixing[J]. Analytical chemistry, 2001, 73(24): 5822-5832. [17] Wang J, Wang M, Li Z. Lattice Boltzmann simulations ofmixing enhancement by the electro-osmotic flow in microchannels[J]. ModernPhysics Letters B, 2005, 19(28n29): 1515-1518. [18] Wang J, Wang M, Li Z. Lattice Poisson–Boltzmannsimulations of electro-osmotic flows in microchannels[J]. Journal of Colloidand Interface Science, 2006, 296(2): 729-736. [19] Alizadeh A, Wang J K, Pooyan S, et al. Numerical studyof active control of mixing in electro-osmotic flows by temperaturedifference using lattice Boltzmann methods[J]. Journal of colloid andinterface science, 2013, 407: 546-555. [20] Alizadeh A, Zhang L, Wang M. Mixing enhancement of low-Reynoldselectro-osmotic flows in microchannels with temperature-patterned walls[J].Journal of colloid and interface science, 2014, 431: 50-63. [21] Jain M, Nandakumar K. Optimal patterning ofheterogeneous surface charge for improved electrokinetic micromixing[J].Computers amp; Chemical Engineering, 2013, 49: 18-24. [22] Nayak A K. Analysis of mixing for electroosmotic flowin micro/nano channels with heterogeneous surface potential[J]. InternationalJournal of Heat and Mass Transfer, 2014, 75: 135-144. [23] 唐桂华, 王斐斐, 毕成, 等. 微尺度电渗混合强化的数值研究[J]. 工程热物理学报, 2010,31(10): 1721. [24] Tung-Yi Lin,Chieh-Li Chen. Analysis of electroosmoticflow with periodic electric and pressure fields via the latticePoisson–Boltzmann method[J]. Applied Mathematical Modelling,2013,37(5). [25] 杨大勇, 王阳. 微通道中电渗流及微混合的离子浓度效应[J]. Applied Mathematics amp; Mechanics (1000-0887),2015, 36(9). [26] 杨大勇, 徐涛, 李鸣. 非牛顿幂律流体电渗微混合的数值模拟[J]. 科学通报, 2015, 60: 1401. [27] 申力, 李鸣, 杨大勇. 基于 PNP 模型微通道内幂律流体电渗流数值模拟[J]. 微纳电子技术, 2015, 52(9): 570-575. [28] 周腾, 王瀚林, 葛鉴, 等. 交流电场促进型微混合器设计[J]. 海南大学学报 (自然科学版), 2017(2017 年 02):159-163. |
