微尺度粘弹性流体与动电效应耦合作用机理研究

Miniaturization, integration and portability are becoming the leading development trend of the contemporary industrial instruments, where lab-on-a-chip is a reputable example and play an increasingly important role in lots of areas, especially chemical, medical and biological areas. In view of the great potentials of electrokinetic phenomena and viscoelastic fluids in the microfluidics, an innovative idea coupling the viscoelastic and electrokinetic effects to accomplish the control of fluid flow and particle motion has been proposed presently. This project is to study the new phenomena occurring when coupling the viscoelastic and four kinds of classical electrokinetic effects, as well as their corresponding mechanisms. Specifically, the research contents include the following four aspects: (1) Experimentally and numerically investigating the influencing mechanisms of viscoelastic effect on electro-osmotic flow; (2) Numerically investigating the influencing mechanisms of streaming potential effect on viscoelastic fluid flow; (3) Experimentally and numerically investigating the influencing mechanisms of viscoelastic effect on particle electrophoresis; (4) Experimentally and numerically investigating the influencing mechanisms of sedimentation potential effect on the particle motion through viscoelastic fluids. This project aims at exploring novel techniques for the control of fluid flow and particle motion in microscale. The research achievement is bound to be of great values from the academic and industrial application.

微型化、集成化与便携化成为当代工业设备器件技术发展的总方向，例如微流控芯片实验室。鉴于动电现象与粘弹性流体在微流控芯片中的广泛应用前景，本项目基于改变流体物性的思想,提出应用粘弹性流体为流动工质,旨在研究流体粘弹性与四种动电现象的耦合作用机制。具体研究内容如下：（1）实验与数值模拟研究粘弹性流体弹性对电渗流特征的影响规律及其机理；（2）数值模拟研究流动电势对压力驱动粘弹性流体流动的影响规律及其机理；（3）实验与数值模拟研究粘弹性流体弹性对电泳特征的影响规律及其机理；（4）实验和数值模拟研究沉降电势对重力驱动粒子在粘弹性流体中沉降过程的影响规律及其机理。本项目研究成果将丰富和发展对微通道内粘弹性流体中动电现象特征及其机理的认识，并对采用粘弹性流体为载体实现微尺度下流体与粒子的操控具有指导性意义。

鉴于粘弹性流体与动电现象在微流控芯片中的广泛应用前景，本项目提出研究流体粘弹性及动电效应共存时二者如何相互作用并影响微通道内流体流动及粒子输运规律，为探索微尺度环境下复杂流体(例如血液与高分子聚合物溶液等)与粒子(例如细胞等)的新型控制方法。本项目设定以下3个研究目标：（1）建立可靠的电场作用与粘弹性流体共存时的数值模拟方法及实验测量系统；（2）揭示微尺度通道内流体粘弹性与经典动电效应耦合作用规律及其物理机制；（3）探索微尺度下利用粘弹性流体和动电效应的流体与粒子的新型控制方法。为实现上述研究目标，本项目开展了以下5个方面的研究内容：（1）粘弹性流体流动及动电效应数值模拟方法建立；（2）粘弹性流体电渗流流动数值模拟研究；（3）粘弹性流体颗粒操控技术研究；（4）粘弹性流体弹性湍流及其应用研究；（5）粘弹性流体Rayleigh-Bénard热对流数值模拟研究等。.通过上述研究内容的实施取得了以下结果：.1)在数值模拟方法及实验测量系统方面建立方面。基于开源软件OpenFOAM，已建立了适用广泛的粘弹性流体流动直接数值模拟求解器，并进行了一系列验证。该求解器不仅适用性强，可用于求解各种边界条件和复杂通道内的粘弹性流体流动，而且易于扩展，除了求解项目中涉及的流动，该求解器还可扩展至求解粘弹性流体多相流、粘弹性流体液滴电润湿等问题。利用高压直流电源、波形发生器、高精度飞安电流表等设搭建了电渗流及粒子电泳的驱动及测量系统。在此平台基础上和其他项目资助下，购置了激光诱导荧光漂白测速技术相关设备进行拓展，以实现电渗流动流场的测量。.2)在粘弹性流体弹性与动电效应耦合作用机理方面，研究发现，在直通道内，粘弹性流体弹性及其剪切稀变效应使得其电渗流速大于牛顿流体；与压驱流动类似，弹性的存在同样会使得粘弹性流体电渗流发生失稳；另外，在粘弹性流体中，弹性的作用对微颗粒会产生额外的横向作用力（“弹性升力”），这使得颗粒在粘弹性流体中的行为与牛顿流体具有显著的差异。.3)在流动及颗粒操控方法探索方面，根据粘弹性流体流动及颗粒的独特动力学行为，本项目提出了利用粘弹性流体和菱形阵列结构实现了混合及换热强化、利用粘弹性流体在十字槽道结构内的双稳态特性和外部机理设计了微流体电路的开关元件、利用粘弹性流体内颗粒受到弹性升力及DLD阵列结构实现了颗粒的动态筛选、并利用粘弹性流体内颗粒的中心聚焦效应及介电