微通道内交变电场电渗流有限元分析.pdf

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1、·机械研究与应用·２０１５年第２期（第２８卷，总第１３６期）研究与分析微通道内交变电场电渗流有限元分析张磊（青海大学机械工程学院，青海西宁８１００１６）摘要：基于有限元方法，以粘性不可压缩流体Ｎ－Ｓ方程和双电层Ｐ－Ｂ方程为基础，建立交变电场驱动微通道电渗流模型，并进行数值模拟，分析溶液浓度、电场强度和微通道高度对电渗流的影响。结果表明，微通道内双电层滑移速度与电场强度成正比，受微通道高度影响较小，随溶液浓度的增大非线性减小。同时，微通道高度和溶液浓度的增加使双电层相对厚度减小，交变电场电渗流瞬时速度的波峰更

2、加尖锐。该结论为微通道内交变电场电渗流精确控制提供了理论参考。关键词：微通道；交变电场；电渗流；有限元法中图分类号：Ｏ３６１．４文献标志码：Ａ文章编号：１００７－４４１４（２０１５）０２－００５９－０４ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＥｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃＦｌｏｗｉｎＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＦｉｅｌｄｏｆＭｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓＺＨＡＮＧＬｅｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＸｉｎｉｎｇＱｉｎｇｈａｉ８１００

3、１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃｆｌｏｗｉｎｔｈｅａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＮ－ＳｅｑｕａｔｉｏｎｆｏｒｖｉｓｃｏｕｓｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅｆｌｕｉｄａｎｄｔｈｅＰ－Ｂｅｑｕａｔｉｏｎｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｄｏｕｂｌｅｌａｙｅｒ，ａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃｆｌｏｗｉｎｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓｉｓａｌｓｏｃ

4、ｏｍｐｌｅｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｏＥＯＦｂｙｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｈｅｉｇｈｔａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｌｉｐｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｄｏｕｂｌｅｌａｙｅｒｉｎｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｉｓｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｉｎ

5、ｔｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄｉｔｉｓｌｅｓｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｈｅｉｇｈｔ，ａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｓｏｌｕｔｉｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｄｏｕｂｌｅｌａｙｅｒｉｓｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｓｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｈｅｉｇｈｔａｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｗａｖｅｃｒｅｓｔｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｖ

6、ｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｓｍｏｒｅｓｐｉｃｕｌａｔｅ．Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒａｃｃｕｒａｔｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃｆｌｏｗｏｆｔｈｅａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｉｎｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ；ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ；ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃｆｌｏｗ（ＥＯＦ）；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ

7、（ＦＥＭ）［６］０引言交变电场电渗流的频率相关性模型。Ｌｕｏ等通过随着微机电系统（ＭＥＭＳ）的迅速发展，诸如微通比较研究矩形弯道中交变与稳定两种电场瞬时电渗道散热器、微混合器、微生物芯片等微流体器件应用流，阐述了外加电场与横向流场变化关系。Ｙａｎｇ［１］等［７］和Ｍａｒｃｏｓ等［８］通过研究两种不同矩形微通道中越来越广。与宏观系统不同，微通道特征尺度小，流体比表面积增加，流动雷诺数低，并且流体流动的交变电场电渗流，发现主流区内流体流速在外加电场［９］伯克利数较大，这些特点都使得微流体的驱动和控制的频率足够大时

8、变化缓慢。Ｏｄｄｙ等人的研究则证［２］明了利用交变电场驱动电渗流造成流动混乱，可以有较为困难。深入研究微流体流动特性，对微流体［１０］器件的设计具有重要意义。电渗驱动微流体具有结效地提高流体的混合效率。Ｓａｓａｋｉ等人针对某种构简单、控制方便等优点，是微流体器件中广泛应用特定交流电渗微混合器，进行了理论和实验研究，经的一种驱动控制方式。国内外学者对稳定电场作用过对比两者结果，分析了流体混合与电场频率