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管电渗流微泵的流体动力学的数值仿真.pdf

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第40卷第2期 机 械 工 程 学 报 vol.40 2004年 2月 CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING Feb 2N0o0.42 毛细管电渗流微泵的流体动力学的数值仿真* 仲 武 陈云飞 (东南大学机械系 南京 210096) 摘要:利用电渗流((EOF:Electroosmoticflow)机理制作出的微泵,以其体积小、噪声低、易于控制和结构简单等 优点,在药物输送、生化合成及微机电系统(MEMS)中得到了广泛的应用。以实现CPU的温度控制为目标,对电 渗流泵的控制及速度、压力间的关系进行了分析。应用无网格法((Meshless/meshfree)对Laplace方程、Poisson- Boltzmann方程、Navier-Stokes方程进行数值求解。数学模型不仅可以仿真几何形状简单的直管内微流体的驱动 过程,也可以仿真几何形状复杂、 ‘电势较大条件下的微流体的流动情况,为电渗流泵的设计提供了仿真模型。 主要讨论通过改变外加垂直电势和 ‘电势,实现对电渗流泵的控制以及电渗流泵所能承受的背压问题。 关健词:电渗流 纳维一司托克斯方程 无网格算法 中图分类号:0351.2 用蛇行管的形式分布在芯片中,另一种是热池((Heat 0 前言 sink),此时冷却介质与芯片以面的形式接触(如图 1)。第一种情况结构简单,占用空间小(可达微米 电渗流驱动是一种新兴的技术,主要讨论它在 级),对芯片十分有利,但它的降温效果较差。第 微泵中的应用。传统的泵都有一个或多个运动部 二种情况结构较复杂,占用空间也较大,但降温效 件,靠进口的真空程度和进出口间的容积变化发挥 果好。为了解决这个矛盾可综合以上两种形式,即 作用。但电渗流泵作为一种场引导泵(Field-induced 在某些局部用热池形式,大部分用蛇行管的形式。 flowpump),不需要运动部分,且它的进出口容积 事实上 EOF的应用前景远不止微泵。如在药 也不需要变化就能实现压力的提升n1。这些优点使 物输送、无针头注射器、生化合成分析、DNA和 得电渗流泵的结构更为紧凑,更易于控制,也使得 蛋白质的分类、化学反应、小体积物质转移和打印 它能够用于目前急需的中央处理器(CPU)的内部降 技术等方面都有应用12.31 温,如图1所示。 1EOF机理概述 介质冷扭器 (在芯片的外部) 对于很多固体材料而言,与极性溶液或电解液 电动力滚 接触,由于离子化、离子吸附和离子溶解等复杂的 化学作用,会在固体表面产生电荷。这些表面电荷 反过来又影响极性溶液中的离子分布,形成双电层 逊4tA1 (EDL)。所谓双电层是指溶液中靠近表面的正、负 离子优先聚集区。它的理论模型是:从固体材料表 面向溶液中心依次分布着斯特恩层(Sternlayer),斯
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