Numerical simulation about trapping two particles in microfluidic dielectrophoretic chip

In this paper, we calculated the spatial locally averaged velocity strains along the streamwise direction with four scales in the velocity vector field of turbulent boundary layer by utilizing the three-dimensional three-component database of time series of velocity field measured by tomographic time-resolved particle image velocimetry. We introduced an improved quadrant splitting method based on the spatial local-averaged velocity strains and a new conditional sampling phase average method as a data-mining criterion to detect and extract the inherent coherent structures from such turbulence signal database. Furthermore, we used the improved quadrant splitting method to obtain and investigate the spatial topologies of fluctuating velocity and fluctuating vorticity with four scales whose center was a strong second-quadrant event (Q2) or a fourth-quadrant event (Q4). Results illustrate that there is a better similarity of the multi-scale coherent structures in wall-normal direction than the one in other two dimensions. © 2012 IEEE

基于直接数值模拟的EMMS模型稳定性条件验证

气固流态化系统是典型的非平衡系统，呈现出复杂的时空多尺度结构，因而需要使用多尺度方法进行分析。能量最小多尺度(EMMS)模型揭示了介尺度结构及稳定性条件在认识气固流态化系统中的重要作用，在气固流态化系统中得到了广泛应用。本文致力于通过直接数值模拟(DNS)分析流态化不均匀结构，构造气固流态化系统的能耗统计方法，同时对EMMS模型中提出的稳定性条件，即流体悬浮输送单位质量颗粒的能耗Nst趋于最小进行验证。对比基于拟颗粒模型（PPM）的验证工作，本文通过引入加速度并考虑不同颗粒初始分布方式使结论更有说服力，并且基于DNS的研究可以更准确的统计能耗项。本论文各章内容安排如下：第1章 对气固流态化系统进行介绍，并综述了包括实验、经验公式及数值模拟方法在内的研究成果，同时说明三类常用的数值模拟方法：双流体模型(TFM)、颗粒轨道模型以及直接数值模拟的优缺点，阐明了选择直接数值模拟开展本工作的原因。第2章 详细介绍了本论文中采用的直接数值模拟方法，包括流场求解、颗粒运动处理以及流固耦合方式，并通过模拟流体流过静止单颗粒及交错分布的颗粒群验证了数值模拟方法的准确性。第3章 在EMMS模型中悬浮输送流速的统计中考虑加速度的影响，对不同颗粒初始分布方式、不同入口气速的气固流态化体系进行了模拟，得到了悬浮输送流速Ust随时间趋于最小的结论，验证了EMMS模型稳定性条件。第4章 对本论文内容进行总结并对未来的工作进行了展望，目前对EMMS模型稳定性条件的验证仍延续着间接求解的方法，将来随着EMMS模型中的能耗项与气固流态化的能量系统建立更完善的对应关系，通过直接数值方法对EMMS模型中能耗项进行统计将是非常有前景的研究方向。;The gas-solid fluidization system is a typical non-equilibrium system, which presents a complex multi-scale structure of space and time. The energy minimum multi-scale (EMMS) model reveals the important role of mesoscale structures and stability conditions in gas-solid fluidization systems, and it has been widely used in gas-solid fluidization systems.In this paper, direct numerical simulation (DNS) is used to analyze the fluidized heterogeneous structure and to construct the energy consumption statistics method of gas-solid fluidized system. The stability condition proposed by the EMMS model is that the energy consumption Nst for suspending and conveying unit mass particles tends to minimum is proved in this thesis.Compared with validation work using the Pseudo-Particle Modeling (PPM), the acceleration is introduction and differnet initial distributions of particles is considered in this thesis to make the conclusion more persuasive, and the statistics of energy consumption based on DNS is more accurate.The main contents of this thesis are as follows: In chapter 1, gas-solid fluidization system and its non-uniform structure is introduced, and reviews the research results of experiment, empirical formula and numerical simulation method. Illustrates the merit and demerit of three kinds of numerical simulations including two-fluid model, Eulerian-Lagrangian method and direct numerical simulation, in order to explain why we choose direct numerical simulation to study the gas-solid fluidization;In chapter 2, the DNS method used in this paper is introduced in detail, including flow field solution, particle motion treatment and fluid-solid coupling method. The rationality of the DNS method is verified by simulating the fluid through a single particle and fluid through staggered distribution of the particles.In chapter 3, the influence of acceleration is considered in the statistics of suspension and transport velocity in the EMMS model. The gas-solid fluidization systems with different initial particle distribution patterns and different inlet velocity are simulated using DNS. The conclusion that the suspension and transport velocity Ust tends to be minimized with time is obtained, and the stability condition of the EMMS model is verified.In chapter 4, the main results in this thesis is summarized and some future directions on DNS is discussed. The validation of stability conditions of the EMMS model in this thesis still uses the indirect statistical method. In the future, as the energy consumption terms in the EMMS model correspond better with the energy system of gas-solid fluidization, counting the energy consumption terms in the EMMS model directly with DNS would become a very promising research direction.&nbsp;</p

微尺度流动特性

通过微推进器小型化的具体问题说明微型化不是简单的尺寸缩小。微尺度流动所基于的物理因素与宏观流动不同，体现在流动涉及的表面积与体积之比增强、梯度参数效应及界面力效应等，物理因素作用的改变或新的因素参与，使微尺度流动呈现新的特点，这为设计芯片和传感器中的流动提供了新的思路，正如文中介绍的增强层流混合方法。微尺度效应在流体力学理论方面也会有所体现，包括对基本方程、边界条件的修正，然而对流动现象的深入认识则是理论发展的关键。简单介绍了作者的研究组在微尺度液体流动实验方面的研究结果

Janus球形微马达的自驱动机理研究:自扩散泳动与微气泡推进

微纳马达的研究是一个多学科交叉的新兴领域.其中,Janus微马达利用自身两面异性导致的局部梯度场而产生自驱动现象,引起了学界的普遍关注.本文主要基于目前已开展的工作并借鉴国内外的一些最新成果,以期对Janus球形微马达的物理特征给出全面的描述.针对铂-二氧化硅（Pt-SiO_2）型Janus微球在过氧化氢溶液中发生的自驱动,通过实验和数值模拟分析了其两种自驱动形式（自扩散泳动和微气泡推进）的物理机制和运动特征.直径小于5mm的Janus微球发生自扩散泳动,通过无量纲均方位移随时间的变化揭示了微球平动经历由纯布朗运动、扩散泳动到类布朗运动的过程,给出了特征时间及不同阶段的主导物理因素.位移概率分布可以表征非高斯性,并分析布朗力矩主导的旋转特性并讨论壁面限制及剪切流的影响.直径20~50mm微球可观测到微气泡推进,微球位移揭示了随气泡尺寸增长,微球经过自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭推进3个阶段组成的周期运动.Rayleigh-Plesset（R-P）方程则揭示了依次由黏性力、表面张力及气泡周围流体压力控制下的气泡生长标度率.本文还从应用角度介绍了交变电场下,利用介电泳操控Janus微球的微穿梭输运（microshuttle）技术,并讨论了自扩散泳与自电泳差别及微气泡推进型微马达效率提高等问题

一种PDMS薄膜型微阀的制备与性能分析

通过厚胶光刻工艺在硅片上制备SU 8胶模板,利用该模板制备了高分子聚合物PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)微流道和薄膜结构。通过对不同结构的两层PDMS的不可逆粘接得到一种简单的阀结构,在外加气源压力作用下薄膜产生变形实现对微流道的控制。实验测量了微阀的控制气源压力与被控制液体流量之间的关系,说明膜阀的开闭性能良好。根据弹性薄膜的变形理论,对影响微阀性能的参数进行了分析,并提出了几种可行的用于薄膜微阀控制的方法

自驱动微纳马达在水环境领域的研究进展

可持续发展是当今世界面临的重大挑战,其中水环境问题尤为复杂和困难.微纳马达是具有截然不同物理或化学性质的微纳功能材料,在不同的外部激励条件下可以建立起极大的梯度场并形成自驱动,这一特性为特定的水环境问题提供了有效的解决方案,而水环境也被认为是这一新兴材料重要的应用场所之一.本文重点综述了近年来利用微纳马达的自驱动性质进行水环境监测和水体修复等方面研究的进展.此外,本文还给出了主动输运及膜过滤过程与微纳马达运动机理的关联,并对如何利用自驱动性质回收微纳马达进行了讨论,以减少微纳马达自身对环境的影响.最后对这一领域未来的研究进行了展望.</p

自驱动janus微球分数布朗运动的颗粒动力学模拟

该文通过分析Janus微球的运动过程,建立了包括随机布朗力、布朗力矩、自驱动力及Stokes阻力在内的颗粒动力学模型,通过数值模拟手段研究了不同粒径和不同自驱动速度下Janus微球的分数布朗运动,获得了不同的运动模式、均方位移及Hurst指数。模拟结果表明,Janus微球的均方位移随时间非线性增加,在不同观察时间下Janus微球可呈现出布朗运动、自驱动及类布朗运动的特征,Hurst指数亦产生相应变化。数值模拟结果与实验结果很好地符合,反映出Janus微球的分数布朗运动特性,说明所建颗粒力学模型的合理性,为今后Janus微球的操控与具体应用奠定了基础

Janus微球高效自驱运动研究

Janus颗粒由物理或化学性质不同的两部分所构成,利用Janus颗粒两侧性质的差异可以建立浓度、温度或光强等物理量的梯度场,并导致Janus颗粒的自驱动。在微尺度下,自驱动具有重要的应用前景,其机理研究正日益受到重视。比如1-2μm的铂-二氧化硅(Pt-SiO_2)型Janus微球在过氧化氢H_2O_2溶液中,H_2O_2在Pt一侧催化分解形成浓度梯度导致的自扩散泳动。之前的研究表明,这类自扩散泳动驱动速度约为10μm/s,特征扩散系数能增大约2个量级。而近来实验发现,当微球直径增大到10μm以上时,催化反应产生的氧气会在Pt侧形成气泡,从而加速推进微球自驱动运动。这提高了气泡推进微马达(micro-motor)器件的化学能向机械能转变效率,增强了自驱动的应用前景。其驱动机理仍有待我们研究。本文以直径20-50μm的Pt-SiO_2型中空Janus微球在H_2O_2溶液体系为研究对象,用MicroPTV技术观测Janus微球在纯水及不同浓度(2-3%)H_2O_2溶液中的自驱动运动。在球形微马达中实现了高达500μm/s的自驱动,约为25LB/s(length to body persecond),并且整体驱动效率高达10~((-8)),远高于文献的驱动效率10~((-10))。实验结果表明:(1)微气泡可将Janus微球的推进速度提高到0.5mm/s以上;(2)微气泡推进过程,Janus微球运动可以分为(a)浓度梯度主导、(b)气泡生长推进和(c)气泡溃灭三个阶段;(3)气泡溃灭时产生朝向Janus微球的瞬时射流,被认为是提高速度及能量转化效率的关键环节

Particle dynamics simulation on fractional Brownian motion of self-propellant Janus microsphere

该文通过分析Janus微球的运动过程,建立了包括随机布朗力、布朗力矩、自驱动力及Stokes阻力在内的颗粒动力学模型,通过数值模拟手段研究了不同粒径和不同自驱动速度下Janus微球的分数布朗运动,获得了不同的运动模式、均方位移及Hurst指数。模拟结果表明,Janus微球的均方位移随时间非线性增加,在不同观察时间下Janus微球可呈现出布朗运动、自驱动及类布朗运动的特征,Hurst指数亦产生相应变化。数值模拟结果与实验结果很好地符合,反映出Janus微球的分数布朗运动特性,说明所建颗粒力学模型的合理性,为今后Janus微球的操控与具体应用奠定了基础