摘要

微觀尺度系統(tǒng)描繪了與宏觀尺度系統(tǒng)不同的流動行為，這是由于更重要的表面力，如表面張力、電荷、磁場等，這些力顯著影響微觀尺度的流動。此外，除其他外，電動現(xiàn)象在微觀尺度上對控制實際微流體應(yīng)用起著重要作用。因此，了解微米級通道中的流體動力學(xué)對于開發(fā)高效可靠的微流控器件至關(guān)重要。

方法

已經(jīng)對壓力驅(qū)動電解質(zhì)液體流過不對稱帶電收縮-膨脹 (4:1:4) 狹縫微流體裝置時的電粘性效應(yīng)進行了數(shù)值研究。使用有限元方法求解數(shù)學(xué)模型（即泊松方程、納維-斯托克斯方程和能斯特-普朗克方程），以獲得以下方程的電勢、速度、壓力、離子濃度場、過剩電荷、感應(yīng)電場強度參數(shù)范圍：雷諾數(shù)（右e=0.01), 施密特數(shù) (鈧=1000), 逆德拜長度 (2≤k≤20），頂壁表面電荷密度（4≤st≤16)、表面電荷密度比(0≤sr≤2）和收縮率（dc=0.25）。

重要發(fā)現(xiàn)

結(jié)果表明電荷不對稱性（Sr）在微流體裝置的不同壁上對感應(yīng)電場的發(fā)展和微流體流體動力學(xué)起著重要作用。總潛力（|ΔU|）和壓降（|Δ磷|）隨著電荷的不對稱性，最大分別增加了 197.45% 和 25.46%。電粘性修正系數(shù)（表觀粘度與物理粘度之比）最大變化 20.85%（在K=2,St=16為了0≤Sr≤2），34.16%（在St=16,Sr=2為了2≤K≤20）和 39.13%（在K=2,Sr=2為了0≤St≤16）。因此，電荷不對稱性（0≤Sr≤2）顯著影響微流體裝置中的流體流動，微流體裝置用于控制微流體過程，例如混合效率、熱量和質(zhì)量傳遞速率。此外，開發(fā)了一個更簡單的分析模型來預(yù)測電粘流中的壓降，考慮到不對稱帶電表面，基于各個均勻部分中的泊肅葉流和孔口造成的壓力損失，估計數(shù)值結(jié)果內(nèi)的壓降 1-2% 。該模型的穩(wěn)健性使得能夠?qū)?dāng)前的數(shù)值結(jié)果用于微流體應(yīng)用的設(shè)計方面。

微機電系統(tǒng)制造技術(shù)的快速發(fā)展增強了微流控器件在各種生物醫(yī)學(xué)和工程應(yīng)用中的使用和普及，例如微熱泵、微散熱器、DNA 分析、藥物篩選、藥物輸送系統(tǒng)、芯片實驗室、生物分析、細胞培養(yǎng)和液滴生成、微觀尺度系統(tǒng)描繪了與宏觀尺度系統(tǒng)不同的流動行為，這是由于更重要的表面力，如表面張力、電荷、磁場等，這些力顯著影響微觀尺度的流動。因此，了解微米級通道中的流體動力學(xué)對于開發(fā)高效可靠的微流控器件至關(guān)重要。

大多數(shù)固體表面（PDMS、玻璃、其他材料）都含有靜電荷，即表面電勢.當(dāng)這些帶電表面與液體電解質(zhì)溶液相互作用時，就會產(chǎn)生電動現(xiàn)象。帶電的固體表面吸引反離子并消除輔離子;因此，離子在表面附近的重排形成“雙電層”（EDL）。它由致密層（或斯特恩層）和漫反射層組成;位于 EDL 這些層之間的界面被定義為“剪切平面”。Zeta電位（ζ）是剪切（或滑移）平面上的電位），它在從剪切面到本體液體的擴散層中不斷衰減。由于施加的壓力驅(qū)動流 （PDF），EDL 擴散層中移動離子的對流導(dǎo)致“流電流”。這種流動會誘導(dǎo)出一種“流動電位”，該電位在EDL中施加了與PDF相反的反離子回流，并產(chǎn)生了“傳導(dǎo)電流”。這些離子還用它們驅(qū)動液體，并延緩微流體裝置中的初級PDF。因此，在固定的體積流量下，液體流動顯示出比傳統(tǒng)PDF更高的粘度;這種效應(yīng)被稱為“電粘性效應(yīng)”（EVE）。

早期的實驗和數(shù)值研究已經(jīng)探索了平行板、矩形、圓柱形和橢圓形等對稱/均勻電荷均勻微流控器件中的電粘性效應(yīng)。研究人員還探索了離子/電解質(zhì)液體在壓力驅(qū)動的無滑移流中通過對稱電荷的不均勻（即收縮-膨脹）微流體裝置（如平行板/狹縫、矩形和圓柱形）的電粘性效應(yīng)。Berry 等人。 分析了在其他相同條件下，具有均勻電荷密度的壁介電常數(shù)對電粘性流動中液固界面的影響。此外，Dhakar 和 Bharti 還研究了電解質(zhì)溶液通過對稱電荷不均勻（即收縮-膨脹）狹縫微通道裝置的電荷依賴性滑移流中的電粘性效應(yīng)。總而言之，這些研究表明，逆德拜長度（2≤K≤20）、表面電荷密度（4≤S≤16） 和滑移長度 （0≤B0≤0.20） 表示控制場上的固定體積流量 （Q），即總電勢 （U）、速度 （V）、離子濃度 （n±）、壓力 （P）、過量電荷 （n?）和感應(yīng)電場強度（Ex） 在對稱電荷 （Sr=1）微流控裝置。這些研究觀察到，在其他條件范圍相同的情況下，與均勻幾何形狀相比，非均勻幾何形狀具有顯著的電粘性效應(yīng)。此外，與無滑移情況相比，滑移增強了電粘性效應(yīng)，而與微流體幾何形狀無關(guān)。通過考慮通過均勻通道的泊塞耶流和通過薄孔口的蠕動流的壓降，提出了計算通過對稱電荷非均勻微流控裝置的無滑移和電荷依賴滑移流壓降的簡單預(yù)測模型。該模型預(yù)測的壓降（和電粘性校正因子）在± 5% 以內(nèi)，±其數(shù)值結(jié)果的±2 – 4% 的無滑移和電荷依賴性滑移流。

此外，很少有研究探討不對稱或異質(zhì)電荷均勻微流控器件中的電粘性效應(yīng)（EVEs）。例如，Xuan 從理論上研究了具有兩種表面模式（||即ΔP和q±ΔP；;?P為壓力梯度）。Sailaja 等人。 已顯示出不對稱壁 zeta 電位（即由不同材料制成的通道壁）對通過均勻狹縫微通道的冪律流體流動的流體動力學(xué)的顯著影響。他們得出的結(jié)論是，zeta電位的不對稱性強烈影響了微流體器件中的流動電位。

據(jù)我們所知，上壁和下壁之間的電荷不對稱性對通過非均勻微流體幾何的電粘性流動的影響在文獻中尚未探索。因此，本研究研究了電解質(zhì)液體通過不對稱電荷不均勻（即收縮-膨脹）狹縫微流控裝置的流動。采用有限元法（FEM）對數(shù)學(xué)方程進行數(shù)值求解，得到流動場、電勢場和離子集中場。詳細結(jié)果從總電勢（U）、過量電荷（n?）、感應(yīng)電場強度（Ex）和微流體裝置中的壓力（P）分布，適用于更寬范圍的流動控制參數(shù).提出了一個簡單的偽分析模型來預(yù)測壓降（和電粘性校正因子）。該模型可用于為各種工程和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用設(shè)計高效可靠的微流控設(shè)備/芯片。

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