微粒受介电泳效应的动力学建模和仿真

Velocity-Verlet或ODE算法分析微粒的运动特征，涉及的偏微分方程存在求解困难、运算量大和使用效率低的难点.采用COMSOL Multiphysics 5.3a有限元软件，通过AC/DC模块中的边界条件设定可快速求解Laplace方程，为介电泳力的求解提供先决条件.后期根据软件提供的粒子追踪模块，将介电泳力、斯托克斯拖曳力、排斥力和浮力内联进粒子追踪模块的应力参数表中，设定固定的时间步长和范围对介电泳芯片的粒子受力运动问题进行了仿真.结果表明，该方法可以有效模拟微粒受介电泳效应的运动行为，并且与Velocity-Verlet或ODE算法模拟结果相似，能有效降低计算程序的繁琐程度，提高动态模拟的人机可视化效果.     

介电泳及其在无机微粒分离研究中的应用

本文介绍了介电泳的基本原理．系统综述了近几十年来,国内外介电泳在无机微粒方面的研究与发展及其应用前景．     

碳纳米管介电电泳排布仿真研究

建立碳纳米管介电电泳排布的数学模型,利用有限元方法模拟电场分布对介电电泳力大小和方向的影响,结果表明碳纳米管最终的沉积位置以及排布方向受电场方向及梯度的控制,已沉积碳纳米管影响局部电场分布导致与其他碳纳米管产生排斥作用,因此通过改变电场分布可以有效控制介电电泳力的方向与大小,实现碳纳米管的规律排布.     

介电泳效应的液滴聚结过程与分布

基于Cahn-Hilliard建立Navier-Stokes两相流体动力学和电场Maxwell应力张量法的多物理场耦合模型,用于平行极板型、针型和圆环型电极的液滴聚结仿真.研究结果表明:较强的电场强度诱导分散相液滴聚结耗时较短,液滴链的结构和均匀度受电极形状和电场空间均匀性的影响较大;均匀电场诱导液滴成链较为均匀,并不受液滴数量的影响.在指针型和圆环型电极产生的非均匀电场只能在液滴数量较少的条件下,实现规则液滴链的生成.通过多物理场模型建模,仿真结果能够为静电纺丝、液滴合并、液泡回收等复杂微流体电学控制提供理论基础.     

基于介电泳的生物粒子分离芯片

在阐述介电泳基础理论研究成果基础上,研究了传统介电泳力、电动旋转介电泳力和行波介电泳的计算模型力,分析了克劳修斯-莫索提因子对正负介电泳的影响,给出了介电泳力的统一计算模型.研究了基于介电泳技术的多种类型的生物粒子分离芯片的研究现状,并从与芯片实验室的集成性、分离的准确性、分离对象多样性和分离对象的尺寸等综合指标,分析了基于微流体和介电泳混合作用、行波介电泳以及介电笼等方法构造的生物粒子分离芯片各自存在的问题,在此基础上提出综合应用行波介电泳和介电笼分离技术,建立面向200 nm～2 μm的微纳米生物粒子分离芯片,从而为建立满足分子芯片实验室需求的分离芯片研制提供了一个可行的方案.     

面向SWCNT-FET制造的介电泳装配技术

针对单壁碳纳米管(SWCNT)场效应晶体管(FET)制造过程中面临的SWCNT装配问题,采用介电泳技术实现SWCNT在微电极上的有效装配.对SWCNT在非均匀电场中所受到的介电泳力进行了相关理论分析,利用COMSOL多物理场耦合软件模拟了介电泳驱动电场,并做了大量装配实验,获得了高效装配SWCNT所需的实验参数.AFM扫描观测及电特性测试验证了这种方法的有效性,同时也为其他一维纳米材料纳电子器件的装配制造提供了借鉴.     

基于有效极矩法的非球形细胞高阶介电泳力研究

细胞承受介电泳力的运动模拟在微控研究占据着举足轻重的地位.传统细胞介电泳力的求解理想化地将细胞看作球体进行计算.近似求解忽略了细胞的高阶介电泳力作用,导致分子动力学仿真结果与实验观测存在较大误差.基于有效极矩方法研究了椭球和红细胞的高阶介电泳力.研究发现Pohl介电泳力表达式在球体计算中依旧有效.从1阶至9阶的高阶极子曲线来看,椭球和红细胞奇数项系数非零,且与它们的形状密切相关.中间凹陷两端凸起的红细胞介电泳力大小近似于偏心率1∶5型椭球.研究结果与Ogbi等学者的仿真完全相符.     

基于介电泳的电旋转芯片电极结构优化与仿真

针对电旋转芯片不同形状的电极结构进行了旋转力矩分析。首先分析了电旋转模型的电场,建立了旋转电场的力矩数学模型;然后主要对凹圆形、方形、双曲线和三角形四种电极结构形成的旋转电场,利用COMSOL Multiphysics进行了有限元仿真分析,分析比较了四种电极结构的电场有效因子和旋转电场质量因子Q。仿真结果表明,双曲线形的电极结构形成的电场强度较强,旋转力矩较为平稳,是四种结构中最理想的旋转电极。     

纳米粒子介电泳的分子动力学模拟

为研究微流体环境下纳米粒子的介电泳现象并分析其介电泳特性,采用非平衡态分子动力学方法对纳米胶体粒子及其周围溶剂粒子进行建模.介电泳模拟之前,通过对系统能量和温度的趋衡过程进行模拟,使纳米胶体所处的微流体系统达到稳定状态,并得出系统能量以及温度变化过程的趋衡图.对纳米胶体模型施加非均匀电场,使胶体电偶极化.变化非均匀电场强度,研究胶体模型失效的一般规律.发现随着非均匀电场强度的增加,小离子有不断脱离大离子表面的趋势,胶体模型失效的临界电场强度参数为Eo=15s/(eó).此外,对不同极性的纳米胶体的介电泳现象进行模拟,发现在正介电泳情况下,胶体的电偶极距不断增大,且电偶极距大的胶体有较大的介电泳速度和位移.     

椭球粒子受光诱导介电泳的数值模型

基于分子动力学提出了一种光诱导介电泳控制椭球粒子运动的数值模型.研究了光电芯片中椭球粒子承受的光诱导介电泳和斯托克斯阻力,采用Runge-Kutta方法计算不同长宽比粒子的自转速度.采用COM SOL有限元计算电场,借助Velocity-Verlet算法模拟了粒子受介电泳的运动轨迹.仿真结果表明,粒子长宽比越大,转速越快;在28,30μm位置处的椭球粒子,受正介电泳力向光斑运动,且沿着电场强度梯度方向行进,最高速度可达到312μm/s.以上仿真的转动速度和运动轨迹都与实验保持了较好的一致性.     

放矿动力学方程初探

在分析放矿过程中矿岩移动规律的基础上,提出了流动体和固结体概念。建立了矿岩块体力学模型和相应的动力学方程,应用变分原理推导出块体运动轨迹和确定流动体形状,从理论上探讨放矿动力学过程取得了新的进展。     

杆系结构静/动力学计算的直接方法

针对有限单元法计算精度受网格密度制约的问题,提出一种求任意复杂杆系静、动力学问题精确解的方法.该方法基于节点分析法,逐个节点列位移相容方程和内力平衡方程,以谱系数作为未知数,杆件变形和截面内力则采用相应问题的精确解来描述.用代数符号化的方式,对方程系数矩阵的组建过程进行了详细描述,为通用程序编制提供依据.对建模过程中的分布式载荷和铰接接头的处理方法进行了探讨并给出处理方法.通过平面钢架屈曲分析和空间管路谐响应分析,证实所提方法具有计算精度高、划分单元数少的特点,特别适合于需要精确解的场合.     

一种共调控基因聚类的新方法

定义了一种基于滑动匹配的相似度, 并在此基础上提出一种能够自适应确定聚类数目的全局K-均值算法, 解决了现有共调控基因聚类方法无法考虑到基因的正反、 延时、 部分时间和差异表达全部4种共调控关系的问题. 将提出的算法应用于微阵列数据中, 并将实验结果与CLUSTER 3.0算法进行了比较, 验证了算法的可行性和有效性.     

一种新的支持向量机增量学习算法

提出一种新的支持向量机增量学习算法。分析了新样本加入训练集后，支持向量集的变化情况。基于分析结论提出新的学习算法。算法舍弃对最终结论无用的样本，使得学习对象的知识到了积累。实验结果表明本算法在保证分类准确度的同时，在增量学习问题上比传统的支持向量机有效。     

一种新的支持向量机增量算法

分析了增量学习过程中支持向量和非支持向量的转化情况。在此基础上提出一种误分点回溯SVM增量算法,该算法先找出新增样本中被误分的样本,然后在原样本集寻找距误分点最近的样本作为训练集的一部分,重新构建分类器,这样能有效保留样本的分类信息。实验结果表明:该算法比传统的支持向量机增量算法有更高的分类精度。     

基于车辆自动识别技术的动态OD矩阵估计新方法

根据车辆自动识别(automatic vehicle identification,AVI)技术检测的新信息,提出了利用AVI检测信息进行动态OD(origin-destination)矩阵估计的新方法.该方法以粒子滤波算法思想为基础,引入AVI检测的部分路径信息、动态行程时间信息以及检测器可测性判据,首先通过贝叶斯估计算法对路径缺失的车辆信息进行缺失路径范围确定和选择概率修正;然后利用蒙特卡洛随机仿真模拟任意车辆对缺失路径的选择,进而获得基于个体车辆部分路径的初始修复OD矩阵;最后运用AVI检测的流量信息校正初始修复OD矩阵,得到最终的OD矩阵估计值.以上海市南北高架快速路网为研究对象,分析了在不同AVI覆盖率和先验精度条件下的动态OD估计精度,结果表明在60％及以上的AVI覆盖率都能获取相当高的OD估计精度;即使在50％覆盖率和60％的先验精度条件下运用本方法进行OD估计,其平均相对误差仅为28.87％.同时本方法对OD先验信息的精度要求较低,能更好地满足我国目前OD基础数据精度不高的现实需求.     

混沌线性广义同步新方法

两个混沌系统的广义同步是混沌全同步的一种推广。基于线性变换方法 ,研究混沌线性广义同步问题 ,提出了混沌线性广义同步新方法 ,该方法可以任意配置广义同步速度 ;给出了广义同步存在的条件 ;研究了两个蔡氏电路的广义同步     

一种新型的话音压缩编码方法

本文介绍一种新型的语音压缩编码方法——矢量和激励线性预测编码(VSELP)、着重讨论 VSELP 编码原理及结构、VSELP 编码方案中矢量和码本的特点及其降低运算量的数学基础、以及 VSELP 方案中所采用的降低算法复杂性,提高合成语音质量、增强抗信道噪音韧性的技术。最后简要介绍 VSELP 编码实现时硬、软件结构设想。