微納流動理論及應用

前言

近二十多年來，自然科學和工程技術發(fā)展的一個重要趨勢是朝微型化邁進，微納機電系統(tǒng)和微全分析系統(tǒng)是其中的兩個典型。微納機電系統(tǒng)可以完成大尺度機電系統(tǒng)所不能完成的任務，也可嵌入大尺度系統(tǒng)中，把自動化、智能化和可靠性提高到一個新的水平，該系統(tǒng)已在工業(yè)、國防、航天航空、醫(yī)學、生物工程、農業(yè)和家庭服務等領域獲得了重要應用并有著廣闊的應用前景。微全分析系統(tǒng)是目前分析儀器發(fā)展的重要方向，它的出現(xiàn)不僅可以使珍貴的生物試樣與試劑消耗大大降低，而且使分析速度大大提高，費用大大下降微全分析系統(tǒng)以微管道網絡為結構特征，可對微量流體進行采樣、稀釋、反應、分離、檢測等復雜和精確的操作，因而有廣泛的應用前景，如可用于稀有細胞的篩選、信息核糖核酸的提取和純化、基因測序、單細胞分析、蛋白質結晶、藥物檢測等。然而，無論是微納機電系統(tǒng)還是微全分析系統(tǒng)，都與流體在微納通道中的流動密切相關。在以往的微納機電系統(tǒng)和微全分析系統(tǒng)發(fā)展過程中，過分強調了加工技術的重要性，而對其內部的非常規(guī)的物理機制重視不夠，導致加工技術的發(fā)展超前于非常規(guī)物理現(xiàn)象的研究，使得這些系統(tǒng)的設計、制造、優(yōu)化和應用水平的提高受到限制。而微納通道流場中流體的運動便是非常規(guī)物理現(xiàn)象中一個非常關鍵的問題，是其他學科發(fā)展的基礎。微納通道流動中會出現(xiàn)明顯不同于常規(guī)尺度下的流動現(xiàn)象，一是當通道特征尺寸和流體分子平均自由程相當時，流體連續(xù)介質假定不再成立，此時要考慮滑移現(xiàn)象、熱蠕動效應、稀薄效應、黏性加熱效應、可壓縮性、分子間作用力和一些其他的非常規(guī)效應；二是在微納通道中，作用在流體上的各種力的相對重要性發(fā)生了變化；三是由于微效應，微納通道中的流體擴散與混合機理與常規(guī)尺度下的情形不同，而控制流體的擴散與混合對有效控制化學分析、生物分析的速度和效率以及微納機電器件的設計和制造具有重要意義。目前，微納流動問題已成為國際性研究前沿，對其研究不僅有學術價值，而且對相關的應用領域具有指導意義。近十年來，作者與課題組成員一同對微納流動進行了系統(tǒng)、深入的研究，給出了描述微納流動的不同種類Burnett方程的穩(wěn)定性分析和失穩(wěn)的臨界Knudsen數(shù)；對Burnett。方程結合高階滑移邊界條件，用松弛方法獲得了最高Knudsen數(shù)情況下Couette流的收斂結果。提出了邊界層等效厚度概念，使得可將常規(guī)尺度流動的理論用于微納流動，并得到了硅和不銹鋼兩種材料的等效厚度。

內容概要

本書介紹了微納流動的實際應用以及相關的理論基礎；分析了用于微納流動研究的基本方程——Bumett方程及該方程的穩(wěn)定性特征；探討了微納流動中Couette流、Poiseuille流和后向臺階流的流動與傳熱特性；研究了壓力和電滲驅動下微納流動的擴散、混合和分離；敘述了各類微流混合器的特性并探討了高效微流混合器的設計和模擬方法。    本書可供力學、機械、材料、化學化工、工程熱物理、生物、醫(yī)學、儀器儀表及相關專業(yè)的科研人員、工程技術人員、教師以及研究生和高年級大學生閱讀。

書籍目錄

前言常用基本符號說明第一章　緒論　1.1　微納尺度通道流動的應用　　1.1.1　微機電系統(tǒng)　　1.1.2　納機電系統(tǒng)　　1.1.3　微全分析系統(tǒng)　1.2　研究微納尺度流動的重要性　1.3　微納尺度流動的特點　參考文獻第二章　微納尺度流動基礎  2.1　微納尺度流動的流場參數(shù)　　2.1.1　Knudsen數(shù)　　2.1.2　流動區(qū)域的劃分　　　2.1.3　其他一些重要參數(shù)  2.2　微納尺度流動的基本方程　　2.2.1　連續(xù)區(qū)和滑移區(qū)流體運動基本方程　　2.2.2　低Kn數(shù)過渡區(qū)流體運動基本方程　　2.2.3　對流擴散的控制方程　　2.2.4　電滲驅動流體運動基本方程　　2.2.5　邊界條件  2.3　微納尺度流動的數(shù)值模擬　　2.3.1　基于連續(xù)介質假設的方法　　2.3.2　基于分子模擬的方法　　2.3.3　格子Boltzmann方法  2.4　微納尺度流動的實驗測試技術　　2.4.1　影響微納尺度流場實驗的因素　　2.4.2　流動參數(shù)測量　　2.4.3　流動顯不技術　參考文獻第三章　Burnett方程及穩(wěn)定性分析　3.1　Burnett方程　3.2　二維增廣Burnett方程　3.3　其他類型Burnett方程　　3.3.1　原始Burnett方程　　3.3.2 Woods方程　　3.3.3 BGK Burnett方程　3.4　Burnett方程的穩(wěn)定性分析　　3.4.1　研究綜述　　3.4.2　常規(guī)Burnett方程的穩(wěn)定性分析　　3.4.3　增廣Burnett方程的穩(wěn)定性分析　　3.4.4　Woods方程的穩(wěn)定性分析　　3.4.5　BGK Burnett方程的穩(wěn)定性分析　附錄　參考文獻第四章　Couette流及圓管流  4.1　滑移邊界條件　　4.1.1　滑移邊界條件表達式　　4.1.2　切向動量適應系數(shù)  4.2　Couette流的方程和邊界條件　　4.2.1　控制方程　　4.2.2　邊界條件  4.3　Couette流方程的求解和程序驗證　　4.3.1　方程求解　　4.3.2　求解Burnett方程和用IP方法計算結果的比較  4.4　Couette流動和傳熱特性　　4.4.1　基本物理量的分布　　4.4.2　馬赫數(shù)對流場的影響  4.5　圓管流場及等效厚度　　4.5.1　基本方程　　4.5.2　黏性系數(shù)公式　……第五章　Poiseuille流及后向臺階流與空腔流第六章  壓力驅動下微流動的擴散、混合和分離第七章　電滲驅動下微流動的擴散、混合和分離第八章　微流混合器

章節(jié)摘錄

插圖：隨著科技的發(fā)展，微納尺度通道內的流動問題越來越普遍，研究對象的微型化是近二十年來自然科學和工程技術發(fā)展的一個重要趨勢，本章首先介紹微納尺度通道流動中最典型的應用。與常規(guī)尺度通道內的流動問題相比，微納尺度通道內的流動有其特殊的性質，本章接著介紹微納尺度通道內流動的特點。1.1微納尺度通道流動的應用關于“微通道”的概念，著名物理學家Feynman于1959年的美國物理學年會上有過一個經典的描述：“There’s plenty of room at the bottom”。在這個plenty of room里大有文章可做1.1.1微機電系統(tǒng)Feynman在1959年的年會上還預言了微型機械將起的作用，并認為制造技術將沿兩個途徑發(fā)展，一是top。down的從宏觀到微觀的途徑；另一是bottom-up的從最小構造模塊的分子開始進行物質構筑的途徑。如今，F(xiàn)eynman的這兩個構想已成為現(xiàn)實。1.定義微型化是當今科技發(fā)展的一個重要特征2-4，微機電系統(tǒng)f：micro electro mechan ical systems，MEMS）是其中的一個典型例子。MEMS是指基于集成電路工藝設計制造并集電子元件與機械器件于一體的微小系統(tǒng)3但是，目前國際上對MEMS還沒有一個統(tǒng)一的定義，美國學者將MEMS定義為由電子和機械元件組成的集成微器件和微系統(tǒng)，是采用和集成電路兼容的工藝所制造且可批量生產，能將計算、傳感和執(zhí)行融為一體從而改變感知和控制自然世界的系統(tǒng)，MEMS的尺度介于微米和毫米之間。日本學者將MEMS定義為由只有幾毫米大小的功能元件組成、能執(zhí)行復雜和細微工作的系統(tǒng)。歐洲學者將MEMS定義為具有微米級結構的產品，并具有微結構形狀所能提供的技術功能。而中國學者將MEMS定義為是一種由微機械和微電子組成的裝置，其中微機械被微電子所控制，大多數(shù)情況下含有微型傳感器，可由微加工技術和集成電路工藝批量制造。

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《微納流動理論及應用》是由科學出版社出版的。

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