基于流动不稳定性控制的微纳器件操纵机理与算法研究

The manipulation approach based on flow instability control under micro-nano scale has unique potential value in the development and application of new type micro-nano devices. The hybrid-control methods of flow instability under micro and nano-scale have been the newest and most attractive for multi-scale manipulation. Disclosing the multi-physical principles and improving the effectiveness and precision of the manipulation method is among one of the key goals. Based on micro nano-scale multiphase fluid dynamic principles, this project is to establish multi-scale and multi-physical coupling model to describe the fluid instability on the interface of multiphase flow in the micro-nano channels. Using our improved multi-scale algorithm based on Molecular Dynamics (MD), Direct Simulated Monte Carlo (DSMC) and Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), the investigation is aimed to solve the coupling multi-physicsal equations, obtain the unstable conditions of phase interface, understand the heat and mass transfer principles driven by multi-scale flow and reaction, and propose a simulation algorithm for droplet manipulation based on the flow instability. An experimental system for measuring the droplets will be presented to study on the droplet formation affected by the flow instability. The results of experiment will be used to amend the theoritical model and proposed method, and to demonstrate the actuation mechanism of flow instability during the interface broken, droplets formation and their transformation,etc. A novel droplet-based micro-nano reactor will be designed and applied in chemical engineering. The outcome of the theory and the underlying method can be effectively applied in chemical analysis, pharmaceutical engineering, new energy utilization, environmental monitoring and biosynthesis.

基于微纳尺度流动不稳定性控制的操纵方法在新型微纳器件开发中独具潜质和价值。如何揭示其多物理耦合操纵机理，获得更加精准的控制方法是关键科学问题。本项目拟基于微观多相流体动力学理论，建立微纳通道内相界面流动不稳定性控制的跨尺度多物理耦合理论模型；改进前期建成的基于分子动力学（MD）、直接蒙特卡洛模拟（DSMC）和光滑粒子动力学（SPH）耦合的跨尺度算法，应用于求解多物理耦合的控制方程组，获得跨尺度作动下的相界面不稳定条件和热质传递特性等，建立基于流动不稳定控制的微滴操纵模拟算法；构建微滴特性分析测试台，进行流动不稳定性作用下微滴生成预测与控制实验，用实验结果来论证与修正理论模型及算法，揭示流动不稳定性作用下相界面破碎、微滴生成和输运等的作动机制；开发基于微滴操纵的新型微纳反应器件。成果可应用于化学分析、药物提取、新能源利用、环境监测以及生物合成等。

基于微纳尺度流动不稳定性控制的操纵方法在新型微纳器件开发和微纳材料制备中独具潜质和价值。如何揭示其多物理耦合操纵机理，获得更加精准的预测与控制方法是其关键科学问题。本项目基于微观多相流体动力学理论，建立了微纳通道内相界面流动不稳定性控制的跨尺度多物理耦合理论模型；改进了基于Level-set的跨尺度模拟方法来有效求解多物理场耦合控制方程，获得了跨尺度作动下的相界面不稳定条件、热质传递和静电激励等特性；建立了基于Plateau-Rayleigh 不稳定性的微滴生成与模拟方法，并将其应用于微流道中微液滴的产生、预测与控制;建立了基于电射流不稳定性的微纳颗粒/纤维的生成与模拟方法,并将其应用于超疏水材料的制备;建立了基于反馈系统控制（Feedback System Control）的微纳颗粒/纤维制备参数优化控制方法，并将其应用于高性能溢油吸附电纺膜和纳米碘化银颗粒制备及性能优化；搭建了微纳流体不稳定性制备静电纺试验台，设计了多种流动不稳定性作用下微滴、微纳颗粒和纤维等的生成预测与控制实验，构建了流动、热质、表面改性和电场等耦合控制及测试方法，实现了微流体表观的软化学改性以及微纳颗粒/纤维的复合制备；用实验结果来论证与修正理论模型及算法，揭示了流动不稳定性作用下相界面破碎、微滴生成和输运等的作动机制；最终研制成功一套基于流动不稳定性和FSC的微滴/纺丝复合预测与操纵的跨尺度多物理耦合计算方法，并应用于微滴/泡的预测与行为控制、微纳光纤拉制和高压静电纺制备超疏水及油水分离纳米材料等。成果可应用于化学分析、药物提取、新能源利用、环境监测与保护以及生物合成等的微纳器件开发和微纳材料制备。共发表了21 篇高质量的关于流动不稳定作用下跨尺度多物理耦合算法、微纳器件开发和纳米合成及应用等方面的学术论文，其中SCI 收录15篇， EI 收录论文4 篇。核心研究成果获授发明专利1项，实用新型专利1项；相关成果获19届中国发明专利奖。指导1名博士后出站，其已完成了多尺度算法内容的国家自然科学青年基金1项（已结题），并晋升为副教授。指导完成研究生学位论文3篇。