电渗流泵的流体动力学分析

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微机电系统(MEMS:microelctromechanical systems)的研究始于上个世纪的八、九十年代,目前已经成为一股潮流.与此同时,液体在微系统中的流动问题也就成了工程界所面临的一个难题.早期的微泵研究始于上世纪七十年代,当时的微泵都是机械式的--都有一个往复运动的机械部件.这种微泵所能承受的背压不超过一个大气压,且液体的流动方式是脉动的,流量也不大,每次脉动大约122nl,构造相对复杂.随着研究的深入,出现了没有机械运动部件的微泵,以这类微泵为动力源的流动方式是连续的.按原理它们可以分为电流体驱动(electrohydrodynamics)微泵,超声波(ultrasonic)微泵,磁流体驱动(magnetohydrodynamics)微泵等.但是这些微泵要么对液体的传导率要求过严,要么耐背压能力有限,且流量都很小,这使得它们的应用受到很大限制.电渗流(EOF:electroosmotic flow)微泵是基于界面化学、静电场、流体力学等理论开发出的微泵.它有效地克服了流量小、承载(背压)低等难题,且它结构简单,流动方式是连续的.正因为这些优点我们有理由相信基于电渗流机理的微泵必将成为微机电系统中主导型的微泵.而且它的应用不局限于微机电系统,它在医疗中的药物输送,工、民用的两相流制冷,甚至宇航科技中都有着广阔的应用前景.该文中详细叙述了关于外加垂直电场的Laplace方程、关于zeta电势的Poisson-Boltzmann方程和关于整个液体的Navier-Stokes方程的建立过程.对于这些方程用数值方法求解.其中离散的方法是无网格法(meshless/meshfree),而对Poisson-Boltzmann方程用残值最小法构造非线性算法,对Navier-Stokes方程用二步法——用时间离散把非线性方程转化成各步线性的,然后各步再作空间离散.在数值实现时,用C++和Matlab C++数学库去编程,从而使两者优势互补.最后讨论了EOF的流型、驱动过程、zeta电势对流速的影响、外加垂直电势对流速的影响、管径对流速的影响、背压问题以及pH值和浓度对EOF的影响.
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