基于微通道构型的微流体流动控制研究

微通道不仅仅是作为流体流动的单元, 更是进行流体控制的工具,微通道自身特性和特征用在实现微流体的驱动、进样、混合、分离以及液滴的产生、控制等方面已经表现出了良好的效果.由于微通道中比表面积非常大, 表面效应极大影响流体流动,近年来多数研究集中在应用表面效应来实现微流体驱动与控制,而以利用微通道结构特征实现流体流动控制为目标的研究成果相对较少.为了提高对通道构型作用的认识,主要介绍了基于微通道构型的无可动部件的流体微阀和基于微通道构型微小液滴的产生及流动控制器两个方面的发展情况,表明微通道构型在微流体控制中同样可以发挥重要作用,甚至有望带来微流控技术的突破.      

基于小型电磁动力驱动器的微流道混合控制研究

对于许多微流体应用系统来说,流体的混合是至关重要的.本文研究了基于电磁流体动力混合器的微流道主动混合控制方法,建立了该微流道混合系统的理论模型并进行了数值模拟.在交变Lorentz驱动下,流经混合器流道的流体及其分界面在混合器流道内往复运动,流体界面的反复折叠与流体局部流动使流体混合,流体的横向往复运动使流体分界面反复折叠从而使流体间的接触面积大大增加.对流体混合过程进行了讨论并给出了漉体混合程度评价方法.     

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

胶体微泵的耗散粒子动力学模拟

应用耗散粒子动力学方法研究了胶体微泵.每个胶体小球按照既定的运动规律相继运动,从而可驱动流体.首先利用耗散粒子动力学方法计算了泊肃叶流动,验证了模拟的正确性.然后模拟了由六个胶体小球组成的周期性胶体微泵的工作过程.胶体颗粒与周围流体粒子之间采用了弹性碰撞模型;模拟中选择了合适的参数,从而可提高流体的粘度并保证DPD流体的不可压缩性.模拟结果与他人的实验数据进行了对比,两者很好吻合.模拟结果显示,胶体微泵的无量纲流量的绝对值随着小球运动ω的变小而增大;而随着ω的减小,无量纲流量的振幅也相应变大.     

一种力-电协同驱动的细胞微流控培养腔理论模型

细胞培养液在微流控生物反应器中受到外界物理场（如压力梯度或者电场）作用流动而产生流体剪应力,并进一步刺激种子细胞调控其内部基因的表达,从而促进细胞的分化和生长,这个过程在自然生命组织内的微管中亦是如此。考虑到细胞培养微腔隙中液体流动行为很难实验量化测定,理论建模分析是目前可行的研究手段。因此建立了矩形截面的细胞微流控培养腔理论模型,将外部的物理驱动场（压力梯度与电场）与培养腔内液体的流速、切应力和流率联系起来,分别得到了压力梯度驱动（Pressure gradient driven,PGD）、电场驱动（Electric field driven,EFD）及力-电协同驱动（Pressure-electricity synergic driven,P-ESD）三种驱动方式下的液体流动理论模型。结果表明该理论模型与现有的实验结果基本一致,具体地:力-电协同作用下的解答为压力梯度驱动和电场驱动结果的叠加。细胞培养腔内的流体流速、剪应力及流率幅值均正比于外部物理场强幅值,但随着压力梯度驱动载荷频率的增大而减小,随着电场驱动频率的变化不明显。在压力梯度驱动作用下,细胞贴壁处的切应力随着腔高的增大而线性增大,流率则随着腔高的增大而非线性增大,而电场驱动下的结果不受腔高的影响。生理范围内的温度场变化对压力和电场驱动的结果影响不大。另外,在引起细胞响应的流体切应力水平,电场驱动能提供较大的切应力幅值而压力梯度驱动则能提供较大的流率幅值。该理论模型的建立为细胞微流控生物反应器实验系统的设计及参数优化提供理论参考,同时也为力-电刺激细胞生长、分化机理的研究的提供基础。      

粘弹流体轴对称流动的格子Boltzmann方法

基于BGK碰撞模型，通过在迁移方程中引入作用力项，建立了粘弹流体的轴对称格子Boltzmann模型．通过Chapman-Enskog展开，获得了准确的柱坐标下轴对称宏观流动方程．采用双分布函数对运动方程和本构方程进行迭代求解，模拟分析了粘弹流体管道流动，获得了流场中的速度和构型张量的分布，通过与解析解进行比较，验证了模型的准确性．研究了作为粘弹流体流动基准问题的收敛流动，对涡旋位置进行了定量分析，将回转长度的计算结果与有限体积法进行了比较，两种数值结果十分吻合．研究结果表明，模型能够准确表征粘弹流体的轴对称流动，具有较广阔的应用前景．     

非牛顿流体入口收敛流动分析

本文讨论了非牛顿流体的入口收敛流动问题,考虑到粘弹性流体在流动中的粘滑行为,应用最小能原理,导出了扩展的入口收敛流边界流线方程和流体自然收敛锥角方程,并与前人的工作进行了比较和分析。     

矩形槽道内表面活性剂减阻流体流场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.      

粘弹性流体的入口收敛流动

本文以聚合物流体为研究对象,对其在入口收敛流动中产生的粘弹效应及机理进行了初步的讨论和分析,并就近10年来国内外有关粘弹性流体入口流动研究及进展作了简要的评述。      

矩形槽道内表面活性剂减阻流体场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁 面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉 动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结 果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅 减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带 特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.     

Fluids with microstretch

Summary In this paper fluids with stretch are introduced as a subclass of simple microfluids. In these fluids the local fluid elements are allowed to undergo only a uniform stretch, or contraction without microrotation. These fluids might find applications especially inNewtonian fluids with bar-like polymeric additives. The field equations are obtained, initial and boundary conditions discussed and the thermodynamics of such fluids is studied. The solution of the problem ofPoiseuille flow between two parallel plates is given. Microstretch fluids with constrained microrotation are also discussed briefly as another subclass of simple microfluids.     

静电悬浮天基超静平台电容式检驱一体化电路设计方法

电容式检驱一体化电路是静电悬浮式天基超静平台的关键技术之一,为实现对大型载荷平台的宽频微振动控制,要求电容式检驱一体化电路具有兼容高频高压反馈驱动的特性。以星载静电悬浮加速度计中的电容式检驱一体化电路为基础,详细推导了检测与驱动对电路输出的传递特性,并基于传递特性的理论分析分别从频域和时域提出两种解耦降噪的设计方法,有效抑制了驱动信号的线性/非线性耦合干扰。实验结果表明,所提方法可使主频为1 kHz、幅值为1 kV的驱动造成的耦合影响低于76.3μV。     

复杂微力－电系统的细微尺度力学

现代高新技术的崛起，提出了大量新的经典力学所不能完全包容的力学问题。这将是现代应用力学发展的巨大动力。微电子技术中微电子材料、器件、系统和微电子－机械系统（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ＭＥＭＳ）所组成的复杂微力－电系统，是跨世纪发展的新科技方向，本文简要介绍了复杂微力，电系统的工业技术背景和发展；综述了这一领域存在的力学问题，主要讨论细微尺度下的结构力学与破坏力学。并评介与展望了这一新的力学领域的研究状况和发展趋势。     

基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器逆转现象分析

在压电陶瓷等效电学模型的基础上,结合外加驱动信号波形分析了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器在工作过程中金属球产生逆转现象的原因,建立了金属球的转速及位移模型,采用快速放电回路和加速压电陶瓷放电的方法减小金属球的逆转位移及振动;利用压电陶瓷管作为微驱动元件,设计了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器,并采用不同频率的三角波信号对所设计微驱动器进行试验测试.结果表明:驱动信号频率越高,微驱动器的振动现象越明显;当驱动信号频率接近、等于或大于微驱动元件(压电陶瓷管)的固有放电周期时,金属球出现无规律运动,导致微驱动器失效;根据1 Hz低频信号时的试验结果与计算所得结果基本吻合,证明了所建立的逆转理论模型的合理性.     

微纳米空间弯曲诱导的反常驱动力 —— 从泡利的魔鬼谈起

介绍了高度卷曲的微纳米物质空间诱发的反常驱动力,指出构成反常驱动力的基本要素有两个：一个是空间的弯曲程度,即曲率, 另一个是空间弯曲的不均匀程度,即曲率的梯度.     

基于MEMS技术的微型流量传感器的研究进展

流量测量是工业生产和科研工作的重要的检测参数.近年来,随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研究和取得的进展,传统的工业和流体力学研究的流量传感器向高集成度,微型化,高精度,高可靠性方向发展,同时生命科学的发展大大促进了用于微流体,生物学、医学、卫生、食物等学科研究新型微型流量传感器的研究开发, 微型流量传感器已成为MEMS的重要研究方向.本文对基于MEMS技术的流量传感器技术的原理、分类作了简要介绍,归纳和评述了各种基于MEMS技术的流量传感器(热式型,差压型,升力型,流体振动型, 科里奥利型及仿生型微型流量传感器等)的生产工艺和应用特点,并对基于MEMS技术的微型流量传感器的校正方法做了总结归纳.介绍了国内在微型流量传感器方面的研制工作.最后总结归纳出基于MEMS技术的流量传感器发展不同阶段并阐述了各个阶段的发展特点,并对基于MEMS技术的流量传感器新的发展趋势进行了展望.      

微/纳尺度接触问题计算方法研究进展

接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,近来随着微/纳米技术的不断发展,接触力学在基础理论和研究方法上面临许多新的挑战.本文在摩擦学的范畴内,对近年发展的若干求解微/纳尺度接触问题的计算方法及理论进行了综述.按发展先后及所解决问题的尺度范围划分,主要有3类评估微/纳尺度接触性能的计算方法:(1)连续介质力学方法;(2)分子动力学模拟; (3)多尺度方法.介绍了这3类计算方法的典型理论和主要数学描述,给出了这些方法对解决若干微/纳观接触问题如黏着效应、粗糙表面描述、表面摩擦及润滑、表面热效应、生物接触等的主要应用.最后, 探讨了微/纳尺度接触问题计算方法可能的发展方向及应用领域.      

基于光学和扫描显微平台的微尺度实验力学检测技术和装置研究

本文基于光学和扫描显微平台,介绍了本研究组在微尺度实验力学检测技术和设备方面的最新研究成果。在检测技术方面涉及显微散斑干涉技术、微标记阵列检测技术、晶粒变形分析技术、光学探针动静态变形分析技术;在检测系统和装置方面介绍了新近开发的双视场薄膜检测系统、散斑微干涉系统、微标记检测平台、AFM和SEM单轴拉伸装置、三维微定位与加载系统、微力传感器及其标定装置、微动平台驱动装置等。探讨了微尺度实验力学检测中的问题和新的检测技术,给出了一些典型的应用和相关装置。     

Shape gradient and classical gradient of curvatures: driving forces on micro/nano curved surfaces

Recent experiments and molecule dynamics simulations have shown that adhesion droplets on conical surfaces may move spontaneously and directionally. Besides, this spontaneous and directional motion is independent of the hydrophilicity and hydrophobicity of the conical surfaces. Aimed at this important phenomenon, a general theoretical explanation is provided from the viewpoint of the geometrization of micro/nano mechanics on curved surfaces. In the extrinsic mechanics on micro/nano soft curved surfaces, we disclose that the curvatures and their extrinsic gradients form the driving forces on the curved spaces. This paper focuses on the intrinsic mechanics on micro/nano hard curved surfaces and the experiment on the spontaneous and directional motion. Based on the pair potentials of particles, the interactions between an isolated particle and a micro/nano hard curved surface are studied, and the geometric foundation for the interactions between the particle and the hard curved surface is analyzed. The following results are derived: (a) Whatever the exponents in the pair potentials may be, the potential of the particle/hard curved surface is always of the unified curvature form, i.e., the potential is always a unified function of the mean curvature and the Gaussian curvature of the curved surface. (b) On the basis of the curvature-based potential, the geometrization of the micro/nano mechanics on hard curved surfaces may be realized. (c) Similar to the extrinsic mechanics on micro/nano soft curved surfaces, in the intrinsic mechanics on micro/nano hard curved surfaces, the curvatures and their intrinsic gradients form the driving forces on the curved spaces. In other words, either on soft curved surfaces or hard curved surfaces and either in the extrinsic mechanics or the intrinsic mechanics, the curvatures and their gradients are all essential factors for the driving forces on the curved spaces. (d) The direction of the driving force induced by the hard curved surface is independent of the hydrophilicity and hydrophobicity of the curved surface, explaining the experimental phenomenon of the spontaneous and directional motion.     

CURVATURE-BASED INTERACTION POTENTIAL BETWEEN MICRO/NANO PLANAR CURVE AND PARTICLE LOCATED OUTSIDE THE CURVE

Based on the negative exponential pair-potential(1/R)n, the interaction potential between the micro/nano planar curve and the particle located outside the curve is studied. We verified that, whatever the value of exponent n may be, the potential of particle/plane-curve is always of unified curvature form. Furthermore, we proved that the driving forces acted on the particle may be induced by the highly curved micro/nano curve, and the curvature and gradient of curvature are confirmed to be the essential factors forming the driving force. Through the idealized numerical experiments, the accuracy and reliability of the curvature-based potential are examined.