定 價：59 元
叢書名：普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材普通高等院校工程實踐系列規(guī)劃教材
- 作者：林建忠等著
- 出版時間：2010/1/1
- ISBN：9787030264749
- 出 版 社：科學(xué)出版社
- 中圖法分類：O35
- 頁碼：274
- 紙張：膠版紙
- 版次：1
- 開本：16開
《微納流動理論及應(yīng)用》介紹微納流動的實際應(yīng)用以及相關(guān)的理論基礎(chǔ)；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(qū)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(shè)計和模擬方法。
《微納流動理論及應(yīng)用》可供力學(xué)、機械、材料、化學(xué)化工、工程熱物理、生物、醫(yī)學(xué)、儀器儀表及相關(guān)專業(yè)的科研人員、工程技術(shù)人員、教師以及研究生和高年級大學(xué)生閱讀。
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近二十多年來，自然科學(xué)和工程技術(shù)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(wù)，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(xué)、生物工程、農(nóng)業(yè)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用并有著廣闊的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，可對微量流體進行采樣、稀釋、反應(yīng)、分離、檢測等復(fù)雜和精確的操作，因而有廣泛的應(yīng)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(zhì)結(jié)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(guān)。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(diào)了加工技術(shù)的重要性，而對其內(nèi)部的非常規(guī)的物理機制重視不夠，導(dǎo)致加工技術(shù)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(shè)計、制造、優(yōu)化和應(yīng)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(guān)鍵的問題，是其他學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)。
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(zhì)假定不再成立，此時要考慮滑移現(xiàn)象、熱蠕動效應(yīng)、稀薄效應(yīng)、黏性加熱效應(yīng)、可壓縮性、分子間作用力和一些其他的非常規(guī)效應(yīng)；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(yīng)，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(xué)分析、生物分析的速度和效率以及微納機電器件的設(shè)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(xué)術(shù)價值，而且對相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域具有指導(dǎo)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(jié)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(jié)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。
目錄
前言
常用基本符號說明
第一章 緒論 1
1.1 微納尺度通道流動的應(yīng)用 1
1.1.1 微機電系統(tǒng) 1
1.1.2 納機電系統(tǒng) 3
1.1.3 微全分析系統(tǒng) 5
1.2 研究微納尺度流動的重要性 8
1.3 微納尺度流動的特點 10
參考文獻 13
第二章 微納尺度流動基礎(chǔ) 17
2.1 微納尺度流動的流場參數(shù) 17
2.1.1 Knudsen數(shù) 17
2.1.2 流動區(qū)域的劃分 18
2.1.3 其他一些重要參數(shù) 18
2.2 微納尺度流動的基本方程 19
2.2.1 連續(xù)區(qū)和滑移區(qū)流體運動基本方程 19
2.2.2 低Kn數(shù)過渡區(qū)流體運動基本方程 21
2.2.3 對流擴散的控制方程 22
2.2.4 電滲驅(qū)動流體運動基本方程 22
2.2.5 邊界條件 22
2.3 微納尺度流動的數(shù)值模擬 29
2.3.1 基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的方法 30
2.3.2 基于分子模擬的方法 40
2.3.3 格子Boltzmann方法 44
2.4 微納尺度流動的實驗測試技術(shù) 50
2.4.1 影響微納尺度流場實驗的因素 50
2.4.2 流動參數(shù)測量 52
2.4.3 流動顯示技術(shù) 54
參考文獻 55
第三章 Burnett方程及穩(wěn)定性分析 60
3.1 Burnett方程 60
3.2 二維增廣Burnett方程 61
3.3 其他類型Burnett方程 65
3.3.1 原始Burnett方程 66
3.3.2 Woods方程 66
3.3.3 BGK Burnett方程 66
3.4 Burnett方程的穩(wěn)定性分析 67
3.4.1 研究綜述 67
3.4.2 常規(guī)Burnett方程的穩(wěn)定性分析 67
3.4.3 增廣Burnett方程的穩(wěn)定性分析 72
3.4.4 Woods方程的穩(wěn)定性分析 75
3.4.5 BGK Burnett方程的穩(wěn)定性分析 77
附錄 79
參考文獻 80
第四章 Couette流及圓管流 83
4.1 滑移邊界條件 83
4.1.1 滑移邊界條件表達式 85
4.1.2 切向動量適應(yīng)系數(shù) 86
4.2 Couette流的方程和邊界條件 87
4.2.1 控制方程 88
4.2.2 邊界條件 90
4.3 Couette流方程的求解和程序驗證 93
4.3.1 方程求解 93
4.3.2 求解Burnett方程和用IP方法計算結(jié)果的比較 95
4.4 Couette流動和傳熱特性 98
4.4.1 基本物理量的分布 98
4.4.2 馬赫數(shù)對流場的影響 101
4.5 圓管流場及等效厚度 103
4.5.1 基本方程 104
4.5.2 黏性系數(shù)公式 104
4.5.3 計算方法 106
4.5.4 計算結(jié)果與討論 106
4.5.5 等效厚度 110
參考文獻 111
第五章 Poiseuille流及后向臺階流與空腔流 115
5.1 Burnett方程的求解 115
5.1.1 求解方法 115
5.1.2 源項的處理 116
5.1.3 邊界條件 117
5.1.4 松弛方法 118
5.2 二維Poiseuille流動和傳熱模擬 119
5.2.1 程序的驗證 120
5.2.2 與其他方法所得結(jié)果的比較 123
5.2.3 入口與壁面溫度一致時的結(jié)果 126
5.2.4 入口與壁面溫度不一致時的結(jié)果 130
5.3 后向臺階流動的模擬 133
5.3.1 與其他方法的比較 134
5.3.2 后向臺階流動特性 136
5.3.3 不同壓力比的影響 138
5.3.4 不同Kn數(shù)的影響 140
5.3.5 不同臺階比的影響 141
5.4 三維空腔流動的模擬 143
5.4.1 方程及求解 143
5.4.2 計算結(jié)果及分析 145
參考文獻 150
第六章 壓力驅(qū)動下微流動的擴散、混合和分離 153
6.1 概述 153
6.1.1 微通道內(nèi)物質(zhì)擴散理論和數(shù)值模擬基本方法 154
6.1.2 微通道內(nèi)物質(zhì)擴散的實驗研究方法 156
6.1.3 擴散、混合、分離程度的衡量指標 161
6.2 壓力驅(qū)動下微流動的擴散 164
6.2.1 二維微通道中橫向擴散 164
6.2.2 三維矩形微通道的橫向擴散 171
6.3 壓力驅(qū)動下微流動的混合 174
6.3.1 二維彎曲通道的流體混合 177
6.3.2 三維彎曲通道的流體混合 178
6.4 壓力驅(qū)動下微流動的分離 180
6.4.1 彎道與分離的關(guān)系 180
6.4.2 三維矩形截面彎道中流體的分離 180
參考文獻 190
第七章 電滲驅(qū)動下微流動的擴散、混合和分離 193
7.1 概述 193
7.1.1 電滲流產(chǎn)生的機理 193
7.1.2 電滲流特點 196
7.1.3 控制方程 196
7.1.4 邊界條件 198
7.1.5 離散方法 199
7.2 電滲驅(qū)動下微流動的擴散 200
7.2.1 毛細管電泳通道接管對流擴散的理論研究 200
7.2.2 毛細管電泳通道接管流動的數(shù)值模擬 205
7.3 電滲驅(qū)動下微流動的混合 210
7.3.1 微流動混合研究狀況 210
7.3.2 控制方程 211
7.3.3 邊界條件 213
7.3.4 計算結(jié)果及討論 213
7.4 電滲驅(qū)動彎道流中微流動的混合 217
7.4.1 基本參數(shù) 217
7.4.2 計算結(jié)果及討論 218
7.5 電滲驅(qū)動下微流動的分離及彎道效應(yīng)的消除 224
7.5.1 微流動分離及彎道效應(yīng) 224
7.5.2 彎道效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型 225
7.5.3 彎道效應(yīng)的顯示 225
7.5.4 消除彎道效應(yīng)的新方法 228
7.5.5 最優(yōu)化設(shè)計 229
7.5.6 結(jié)果分析 229
參考文獻 234
第八章 微流混合器 239
8.1 概述 239
8.1.1 微流混合器的應(yīng)用與性能要求 239
8.1.2 微流混合器的分類 239
8.2 衡量混合效果的指標 251
8.2.1 濃度方差指標 251
8.2.2 Lyapunov混沌指標 252
8.2.3 圖像中示蹤粒子密度指標 253
8.2.4 CCD圖像直接計算混合效率 253
8.3 混沌混合理論 254
8.3.1 粒子軌道 254
8.3.2 各態(tài)經(jīng)歷理論 255
8.3.3 關(guān)聯(lián)衰減 256
8.3.4 映射 258
8.4 螺旋式微混合器及其流場的數(shù)值模擬 260
8.4.1 螺旋式結(jié)構(gòu)的分層作用 260
8.4.2 Re數(shù)與混合效果關(guān)系 262
8.4.3 不同通道結(jié)構(gòu)的混合效果 263
8.5 磁性微混合器 263
8.5.1 磁流體的制備 264
8.5.2 旋轉(zhuǎn)磁場下磁性流體的動力學(xué)特性 267
8.5.3 磁性微混合器的原理和性能分析 268
參考文獻 270
隨著科技的發(fā)展，微納尺度通道內(nèi)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(xué)和工程技術(shù)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(yīng)用。與常規(guī)尺度通道內(nèi)的流動問題相比，微納尺度通道內(nèi)的流動有其特殊的性質(zhì)，本章接著介紹微納尺度通道內(nèi)流動的特點。
1.1微納尺度通道流動的應(yīng)用
關(guān)于“微通道”的概念，著名物理學(xué)家Feynman于1959年的美國物理學(xué)年會上有過一個經(jīng)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(yù)言了微型機械將起的作用，并認為制造技術(shù)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(gòu)造模塊的分子開始進行物質(zhì)構(gòu)筑的途徑。如今，F(xiàn)eynman的這兩個構(gòu)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(shè)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(xué)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(chǎn)，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(xué)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(fù)雜和細微工作的系統(tǒng)。歐洲學(xué)者將MEMS定義為具有微米級結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，并具有微結(jié)構(gòu)形狀所能提供的技術(shù)功能。而中國學(xué)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(shù)和集成電路工藝批量制造。
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