双电层影响下微通道分层流动及其稳定性地研究

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1、摘要㈣㈣l㈣Y2081515微机电系统MEMS中的微流体系统在环境监测、化学分析、临床检测及微电子等领域有广泛应用。微流体力学研究特征尺度为微米的流体运动。与宏观系统不同，表面效应如双电层(ElectricalDoubleLay哪成为微流动主要控制因素。本文以双电层效应为核心，首次建立了考虑双电层和壁面滑移联合影响下的单相流平均流场解析解和考虑双电层影响下的分层流平均流场解析解，重点研究了双电层影响下的单相流和分层微流动平均流与其稳定性，主要得到了以下结论：(1)双电层使速度在壁面附近产生回流，通道越窄，则双电层

2、效应越强，对流动的抑制作用也越强，回流越显著。将双电层与边界滑移的效应叠加，回流促使边界滑移速度指向流动相反方向，滑移加强了双电层对流动的抑制作用。将双电层、边界滑移和表观黏性修正三者叠加，滑移现象受双电层和表观黏性的耦合效应影响。若双电层效应强，滑移速度指向流动相反方向。若表观黏性效应强，则边界滑移被弱化，平均流有拐点出现。(2)双电层的效应越强，则系统的临界雷诺数越小，临界波数越大，流动越易失稳。将双电层与边界滑移叠加，临界雷诺数比单独考虑双电层时小，边界滑移强化了双电层的作用。将表观黏性与边界滑移效应叠加，

3、当表观黏性效应较强时，滑移对临界雷诺数的影响很小，不能增强系统的稳定性。将双电层、边界滑移和表观黏性修正三者叠加，双电层和表观黏性均能减小系统临界雷诺数。边界滑移受双电层和表观黏性的耦合影响较为复杂。若双电层效应强，则滑移速度指向流动相反方向，”滑移协同双电层效应使流动稳定性减弱。若表观黏性效应强，则边界滑移的影响被弱化，表观黏性引起的平均流拐点，也将减小临界雷诺数。(3)在去离子溶液和离子溶液构成的分层流系统中，离子溶液的双电层越强，则对流动的抑制作用越大，离子溶液一侧回流现象越显著。若两层液体均为离子溶液，则

4、通道的两侧都形成双电层，共同对流动起抑制作用。双电层效应越强，则两侧回流越强，且黏性较小的一侧流体回流量大。两层流体的zeta电势比值越大，上层流速受抑制的程度越高。(4)对于去离子溶液和离子溶液构成的分层流系统，离子溶液的Zeta电势越大，流动越容易失稳。对于两层液体均为离子溶液的分层流，zeta电势增大也使流动更易失稳。两者相比，均为离子溶液的分层流的稳定性差。通道越窄，则双电层效应强，分层流越易失稳。若黏性比大于1，相界面的位置越靠近上壁面，则系统越稳定，且黏性比越大，系统越不稳定。电导率对流动有稳定作用。

5、关键词：双电层分层流壁面效应稳定性微通道ABSTRACTThemicronowsyStemofmeMEMS妣hnolog)，is印pliedinfieldsofenv讪)nm％talmoIlitoring，biochemicalanalysis，clinictestiIlg觚dmivroelec咖csetc．Thenowsvstemwitlltllemicroncharactedsticscaleiscalledmicroflow．Comparingt0thenomlalscalesyst锄s，t11einter

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