【摘要】：隨著科技的發(fā)展,系統(tǒng)微型化是自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的一個重要特征.其中微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical system,簡稱MEMS)和納機(jī)電系統(tǒng)(nano electro mechanical system,簡稱NEMS)就是典型的例子.在微納機(jī)電系統(tǒng)中,微納尺度流體的流動和電動能量轉(zhuǎn)化效率問題在生物科學(xué)、藥理學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、化學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的眾多方面都有重要的應(yīng)用,例如,生物芯片、藥物傳輸和體液的流動等.通常的納米通道被稱為剛性納米通道,而柔性納米通道,也稱為具有聚電解質(zhì)層的納米通道,是指在剛性納米通道壁面內(nèi)部添加或固定一層聚電解質(zhì)刷(polyelectrolyte brushes),形成聚電解質(zhì)層(polyelectrolyte layer,簡稱 PEL).聚電解質(zhì)層包含一些固定電荷密度的離子,也稱為固定電荷層(fixed charge layer,簡稱FCL).由于電解質(zhì)溶液可以滲透到聚電解質(zhì)層內(nèi),PEL的表面可以看作是一個半滲透的膜.聚電解質(zhì)層對納米通道中的電解質(zhì)溶液的流動產(chǎn)生一定的影響,從而可以控制流體的運動,在實現(xiàn)微通道智能化方面有重要的意義.近年來,剛性微納通道內(nèi)的電滲流動(electroosmoticflow,簡稱EOF)和電動能量轉(zhuǎn)化(electrokinetic energy conversion,簡稱EKEC)效率問題已經(jīng)得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視和研究,并取得了很多有意義的研究成果.但是在柔性納米通道中開展的電滲流動和電動能量轉(zhuǎn)化效率研究仍然很少.基于上述情況,本文圍繞柔性納米通道中的電滲流以及電動能量轉(zhuǎn)化效率問題,開展了相關(guān)的理論研究.本文在柔性納米通道中,討論了交流電場作用下牛頓流體和粘彈性Jeffreys流體的電滲流動問題.分別考慮柔性納米通道中PEL內(nèi)部和外部區(qū)域,在Debye-Huckel線性化近似下,通過求解線性化的Poisson-Boltzmann(P-B)方程,得到了電勢在柔性納米通道中的解析解.基于電勢的解析解,對柔性納米通道中的電滲流速度滿足的動量方程進(jìn)行修正,得到了牛頓流體和Jeffreys流體的電滲流速度的解析表達(dá)式.本文詳細(xì)討論了相關(guān)無量綱參數(shù)對電滲流速度的影響,并把柔性納米通道中的結(jié)果與剛性納米通道比較.結(jié)果表明,當(dāng)PEL厚度較小時,柔性納米通道和剛性納米通道中的速度曲線重合,但當(dāng)PEL厚度較大時,無論是牛頓流體還是Jeffreys流體,柔性納米通道中的電滲流速度均高于剛性納米通道.而且柔性納米通道中的電滲流速度振幅隨PEL厚度的增加而增加.此外,隨著振蕩雷諾數(shù)(Re)的增加,瞬時電滲流速度表現(xiàn)出明顯的振蕩特征,且振蕩的振幅越來越小.在較大的振蕩頻率情形下,速度的振蕩主要發(fā)生在柔性層與電解質(zhì)溶液的界面附近.另外,對于Jeffreys流體來說,松弛時間的增大可以增強電滲流動,而滯后時間變大卻阻礙流體的流動.在柔性納米通道中,本文還討論了軸向的壓力梯度下粘彈性Maxwell流體的電動能量轉(zhuǎn)化效率問題.基于線性化的P-B方程和不可壓縮的粘彈性流體的Navier-Stokes(N-S)方程,結(jié)合粘彈性流體流變學(xué)的影響,得到了粘彈性Maxwell流體通過柔性納米通道時的流向勢和電動能量轉(zhuǎn)化效率的解析解.并將結(jié)果與剛性納米通道進(jìn)行比較,結(jié)果表明:在當(dāng)前的參數(shù)范圍內(nèi),當(dāng)外加壓力梯度的頻率接近共振頻率(相對于粘彈性流體的固有頻率)時,剛性納米通道中每一個峰值的流向勢和電動能量轉(zhuǎn)化效率的最大值總是高于柔性納米通道中相應(yīng)的最大值.然而,在離開共振頻率的其它大部分頻率范圍內(nèi),柔性納米通道中流向勢和電動能量轉(zhuǎn)化效率較剛性納米通道更大.除此之外,本文也詳細(xì)討論了其它參數(shù),例如阻力系數(shù)、雙電層厚度以及Deborah數(shù)(De)的倒數(shù)等對電動能量轉(zhuǎn)化效率的影響.本文又進(jìn)一步研究了垂向的外加磁場和軸向的壓力梯度聯(lián)合作用下牛頓流體通過柔性納米通道的電動能量轉(zhuǎn)化效率問題.在Debye-Huckel線性化近似下得到了電勢的解析解,給出了由外加磁場和壓力梯度共同作用時所產(chǎn)生的流向勢及電動能量轉(zhuǎn)化效率的解析解.詳細(xì)討論了流向勢和電動能量轉(zhuǎn)化效率在電場、流場和磁場相互作用下的變化規(guī)律,并將結(jié)果與剛性納米通道中得到的流向勢與電動能量轉(zhuǎn)化效率結(jié)果做了比較.結(jié)果表明:隨著Hartmann數(shù)(Ha)的增大,流向勢和流體的流動速度均減小,但是電動能量轉(zhuǎn)化效率(ξ)卻隨著Hartmann數(shù)的增加而變大.同時,本文也討論了其它無量綱參數(shù)對流體的流動速度和流向勢的影響.本文的結(jié)果為柔性納米通道中的電動現(xiàn)象提供了較為深刻的物理解釋,這些結(jié)論對于微流控傳輸系統(tǒng)有一定的理論意義,能為微流控設(shè)備的設(shè)計、優(yōu)化、發(fā)展奠定相關(guān)的理論基礎(chǔ).
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圖片說明： 邐口－１）逡逑其中；＞邋＝給＋ｌｉ，稱為變形速率張量．逡逑ＯＸ－邋ＣＸｊ逡逑如圖２．１所示，平行板的下板固定不孰上板速度Ｕ水平運就上下板之間的距離為２片．逡逑流體與固體壁面接觸時會依附在固體表面，因此，與下板接觸的流體靜止不動，而與上板接逡逑觸的流體則速度Ｕ隨上板一起運動．設(shè)Ｔ為法線為ｙ方向的平面上Ｘ方向的切應(yīng)力，Ｍ為流逡逑體水平方向的速度，八是流體的動力學(xué)粘性系數(shù)．不同流體的動力學(xué)粘性系數(shù)一般不同，同一逡逑種流體的粘性系數(shù)多數(shù)情況只隨溫度變化而變化．公式口．１）給出了流體的粘性與流動中流體逡逑的應(yīng)力和剪切變形速率的關(guān)系．逡逑稼動平撮邐ｔ逡逑ｈ—／＂＂＂逡逑？＾杖逡逑２ｈ邐邐９＾邐邐邐邐邐邐邐邐邐邐邐逡逑ｏ邐Ｘ邋邐ｙ逡逑Ｉ－逡逑／逡逑W定壁面逡逑圖２．１牛頓流體批性力實驗?zāi)Ｐ停义希疲椋珏澹玻卞澹裕瑁邋澹恚铮洌澹戾澹铮驽澹澹穑澹颍椋恚澹睿翦澹铮驽澹觯椋螅悖铮酰箦澹妫铮颍悖邋澹幔猓铮酰翦澹危澹鳎簦铮睿椋幔铄澹妫欤酰椋洌义锨袘?yīng)力和剪切變形速率滿足（２．１）式的線性關(guān)系的流體稱為牛頓流體，在工程實踐和日逡逑常生活中經(jīng)常遇到．但是日常接觸的許多食品Ｗ及石油化工和輕工業(yè)中的原材料中，存在許逡逑多切應(yīng)力和剪切變形速率不滿足線性關(guān)系的流體，一般把這一類流體統(tǒng)稱為非牛頓流體．通逡逑常情況下，牛頓流體的粘性比較小，，而粘性較大的大分子液體，例如血液、蜂蜜、牛奶、油漆逡逑７逡逑
文內(nèi)圖片：
圖片說明： 邐口－１）逡逑其中；＞邋＝給＋ｌｉ，稱為變形速率張量．逡逑ＯＸ－邋ＣＸｊ逡逑如圖２．１所示，平行板的下板固定不孰上板速度Ｕ水平運就上下板之間的距離為２片．逡逑流體與固體壁面接觸時會依附在固體表面，因此，與下板接觸的流體靜止不動，而與上板接逡逑觸的流體則速度Ｕ隨上板一起運動．設(shè)Ｔ為法線為ｙ方向的平面上Ｘ方向的切應(yīng)力，Ｍ為流逡逑體水平方向的速度，八是流體的動力學(xué)粘性系數(shù)．不同流體的動力學(xué)粘性系數(shù)一般不同，同一逡逑種流體的粘性系數(shù)多數(shù)情況只隨溫度變化而變化．公式口．１）給出了流體的粘性與流動中流體逡逑的應(yīng)力和剪切變形速率的關(guān)系．逡逑稼動平撮邐ｔ逡逑ｈ—／＂＂＂逡逑？＾杖逡逑２ｈ邐邐９＾邐邐邐邐邐邐邐邐邐邐邐逡逑ｏ邐Ｘ邋邐ｙ逡逑Ｉ－逡逑／逡逑W定壁面逡逑圖２．１牛頓流體批性力實驗?zāi)Ｐ停义希疲椋珏澹玻卞澹裕瑁邋澹恚铮洌澹戾澹铮驽澹澹穑澹颍椋恚澹睿翦澹铮驽澹觯椋螅悖铮酰箦澹妫铮颍悖邋澹幔猓铮酰翦澹危澹鳎簦铮睿椋幔铄澹妫欤酰椋洌义锨袘?yīng)力和剪切變形速率滿足（２．１）式的線性關(guān)系的流體稱為牛頓流體，在工程實踐和日逡逑常生活中經(jīng)常遇到．但是日常接觸的許多食品Ｗ及石油化工和輕工業(yè)中的原材料中，存在許逡逑多切應(yīng)力和剪切變形速率不滿足線性關(guān)系的流體，一般把這一類流體統(tǒng)稱為非牛頓流體．通逡逑常情況下，牛頓流體的粘性比較小，而粘性較大的大分子液體，例如血液、蜂蜜、牛奶、油漆逡逑７逡逑
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O357.3

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