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摘要微流控技术是近年来新兴的一种精确控制和操控微尺度流体,尤其特指亚微米结构的技术。由外加电场引起的电渗流具有广泛的应用价值。包括微电子冷却、高性能液相色谱分离、药物递送、燃料电池水管理以及显微注射系统。采用Navier-Stokes方程研究纳米孔道中的电渗流瞬时速度分布，外场强度、双电层厚度等等，运用COMSOL Multiphysics软件模拟这一在经典理论中无法产生的特殊现象。本项目建立在学习了有关纳米孔道电渗流的理论和运用COMSOL软件进行多物理场仿真的基础上，将一个纳米孔道电渗流仿真的实验内容在COMSOL Multiphysics 4.4环境下仿真和做后处理，验证了实验结果和理论方程解的一致性和COMSOL软件做电渗流仿真的精确性。31376
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关键词 微流控 流体 外加电场 电渗流 COMSOL Multiphysics
毕业论文设计说明书外文摘要
Title The simulation of electroosmotic flow in nanopore in COMSOL
Abstract
Microfluidic is a technology that recently developed to precisely control microscale fluid,it especially indicated the technology of submicrometer structure. EOF（Electroosmotic flow） induced by an external electric field has a variety of practical applications including micro- electronics cooling、high-performance liquid chromatographic separation、drug delivery、Water management of PEMFC and microinjection system.The transient velocity profile of the EOF,the intensity of the external,the thickness of the EDL and so forth are studied with the Navier-Stokes equation.With COMSOL Multiphysics,we can simulate the phenomenon which is impossible in classical theories.This project is based on studying the theories about EOF and making simulation with multi-physics field in COMSOL.The coherence between experimental results and the solutions of equations and the accuracy in simulating EOF by COMSOL
are proved by the simulation of EOF in a nanopore and postprocessing in COMSOL Multiphysics 4.4.
Keywords microfluidics fluid external electic field electroosmotic flow COMSOL Multiphysics
目 次
1、绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2 COMSOL Multiphysics软件简介 3
1.3全文各章内容概要 5
2、纳米孔道电渗流理论 6
2.1微流控 6
2.2 微/纳流控中的离子传输和操作 7
2.3动电学基础 8
2.4多物理场 13
3、在comsol4.4环境下的仿真过程 14
3.1绘图 16
3.2选择物理场 17
3.3定义常量 17
3.4设置物理量和求解域 18
3.5设置边界条件 26
3.6设置网格 35
3.7仿真 37
4、后处理与验证 41
结 论 46
致 谢 47
参考文献 48
1、绪论
1.1课题研究背景
流体是物质存在的重要形式，流体流动是自然界最基本的现象之一。经典流体力学理论基于连续介质假设，认为介质连续无间隙地分布于所占有的整个空间内，流体宏观物理量是空间点及时间的连续函数[ ]。
人们把在微米尺度空间里流动的流体称为微流体[ ]。微流控指的是一组用于处理几何级数很小的流体（包括液滴和悬浮颗粒）的技术，通常把微流控技术（学）简捷定义为：在微米级结构中操控纳升至皮升体积流体的技术与科学[ ]。微流控系统得以发展，其最初动因是因为需要微量分析工具来分析生化应用，尤其是八十年代基因学的盛行。同时，精密加工技术的提高以及在微电子学中的应用，也推动了微流控的发展。与集成电路对计算的重大影响相似，微流控在革新生化应用方面也极具前景。微通道的尺寸极小，而且通道网络高度整合化，能够满足生化应用中对小取样体积、低成本、快速响应、大规模并行自动分析、高灵敏度和便携性、以及最小化交叉污染的需求。微流控系统具有广阔的应用潜力，包括生物检测、生化反应器、药物合成、临床诊断、以及环境监测等。BCC的一份市场研究报告（2010）显示，2009年微流控产品（也称为芯片实验室装置）的全球市场价值约为26亿美元。