描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030335203
内容简介
《微流控芯片中的流体流动》针对微流控芯片中的流体操控，从流体力学的角度讲解了流体流动的机理。其中，绪论阐述了微尺度流体力学研究的主要内容和微流动的主要特点。后续章节根据芯片中流动介质的不同分为简单介质流动和复杂介质流动，具体安排如下：简单介质流动按照驱动流动的主要梯度量一压力、电场、浓度和温度分为压力驱动流（第2章）、电驱动流（第3章）和传质与传热（第4章）；复杂介质流动分为微管道内的液滴运动（第5章）、表/界面浸润（第6章）、粒子与细胞的运动（第7章）。为了使读者了解微流动的研究方法，增加了微尺度数值模拟（第8章）和微尺度流动测量（第9章）。各章先介绍相关流体运动方程，然后讲解基本物理概念和力学原理，同时介绍一些常用工程公式，*后给出几个应用实例，便于读者理解公式的使用。
目 录
目录
主要符号表
第1章 绪论
1.1 微流控芯片 2
1.2 微流控芯片的流动机理研究 4
1.2.1 微流控学与微尺度流体力学 4
1.2.2 微流控芯片中流动研究的框架 6
1.3 微尺度流动的研究内容及特点 8
1.3.1 微尺度流动的主要研究内容 8
1.3.2 微尺度流动的主要特点 14
1.4 微流控芯片中的局部纳流控简介 17
1.5 本章小结四
参考文献 19
第2章 微流控芯片压差流动 22
2.1 连续介质流动方程组 23
2.1.1 连续性方程 23
2.1.2 动量方程 24
2.1.3 能量方程 25
2.1.4 牛顿流体与非牛顿流体 25
2.1.5 连续性假设的适用性 27
2.2 典型流动 28
2.2.1 二平板间的流动 28
2.2.2 元限长直圆管中的秸性流动 30
2.2.3 斯托克斯流动 31
2.3 管道流动参数诈算 32
2.3.1 管道能量损失计算公式 32
2.3.2 管道流量公式 33
2.3.3 管道截面尺寸对流量的影响 34
2.3.4 复杂管网的流量计算 36
2.4 边界条件 38
2.4.1 滑移边界条件 38
2.4.2 光滑表面滑移长度的估算 41
2.4.3 粗糙表面滑移长度的估算 43
2.5 应用实例 45
2.5.1 惯性力的作用 45
2.5.2 气动阀门与PDMS材料模量的关系 46
2.5.3 流体整流器 48
2.5.4 多功能脉神流动徽过滤器 48
2.6 本章小结 50
参考文献 50
第3章 微流擅芯片电动流动 52
3.1 微流控系统多物理场搞合电动流动方程组 53
3.1.1 双电层，电渗流和怕松-玻尔兹曼方程 53
3.1.2 徽流控系统电动流动多物理场捐合方程组 61
3.2 电渗流特性和影响因素 65
3.2.1 电渗流的焦耳熟效应 65
3.2.2 压强差流动的电截性效应 70
3.2.3 电场调控电渗流 72
3.3 交变电渗流动 76
3.3.1 均句等面微通道交变电场驱动电渗流 77
3.3.2 交变电场调控双电层和电解质离子运动 84
3.3.3 对称和非对称电极组交变电渗流 87
3.3.4 行披电场电渗流 88
3.4 应用实例 91
3.4.1 电渗梳泵 91
3.4.2 电泳分离溶液的电动进祥 92
3.4.3 电动液体棍合器 93
3.5 本章小结 94
参考文献 94
第4章 微流控芯片的传质与传热 99
4.1 传输过程 100
4.1.1 分子传输现象 100
4.1.2 非稳态传输现象 102
4.2 流动传质规律 102
4.2.1 对流-扩散方程 102
4.2.2 泰勒弥散 103
4.2.3 有效扩散系数的计算 104
4.2.4 T形通道扩散过程 104
4.3 微混合器 105
4.3.1 被动掘舍 105
4.3.2 主动棍合 107
4.4 传热现象 108
4.4.1 微尺度传热基本特征 108
4.4.2 典型的微尺度热物理效应 108
4.5 应用实例 111
4.5.1 浓度梯度的形成 111
4.5.2 微流控免疫测定芯片的性能优化 113
4.5.3 微流控聚合酶链式反应 115
4.5.4 基于相变原理的微阀 117
4.6 本章小结 118
参考文献 118
第5章 微通道中的液滴运动 120
5.1 微尺度多相流液滴动力学的基本原理 121
5.1.1 液滴动力学中的无量纲参数 121
5.1.2 润湿现象 122
5.1.3 徽通道中的液滴流动行为 123
5.2 微通道中的液滴操控 126
5.2.1 液滴生成方式 126
5.2.2 液滴输运方式 128
5.2.3 具有粗糙表面通道内的液滴运动 129
5.2.4 液滴分选与定位 130
5.2.5 液滴融合 131
5.3 应用实例 132
5.3.1 灌满的混合增强 132
5.3.2 微生物研究 134
5.3.3 微反应器 135
5.3.4 液滴/气泡逻辑 136
5.4 本章小结 138
参考文献 138
第6章 表面润湿现象 140
6.1 基本概念 141
6.1.1 润湿性 141
6.1.2 真实表面 143
6.1.3 分离压力 147
6.2 毛细效应 149
6.2.1 液滴的形状 149
6.2.2 弯月面 150
6.2.3 毛细提升简介 151
6.3 液滴在固体表面的运动 153
6.3.1 被滴移动的速度 153
6.3.2 液滴的铺展 154
6.3.3 润湿性梯度驱动的液滴运动 156
6.4 数字微流控 158
6.4.1 电润湿的基本概念 158
6.4.2 Taylor-Melcher漏电介质模型 161
6.4.3 电润湿下的液滴运动 163
6.4.4 交流电润湿 167
6.4.5 纳尺度电润湿 170
6.5 应用实例 173
6.5.1 蛋白质组学 174
6.5.2 DNA处理 175
6.5.3 基于电润湿技术的聚合酶链式反应 177
6.5.4 集成电路的冷却 178
6.6 本章小结 179
参考文献 180
第7章 微流控芯片的粒子受力和运动 184
7.1 粒子表面特性与运动的描述 185
7.1.1 溶液中粒子的表面特性 185
7.1.2 溶液中橙子运动的一般描述 186
7.1.3 受限粒子的运动 190
7.2 粒子电泳与介电电泳 193
7.2.1 粒子电泳 193
7.2.2 粒子介电电泳 194
7.3 粒子的其他作用力 198
7.3.1 磁场力和磁泳 198
7.3.2 声驻波力 199
7.3.3 光辐射力 200
7.4 纳米粒子的布朗运动 201
7.4.1 朗之万方程 202
7.4.2 粒子扩散与热力学力 203
7.4.3 纳米粒子布朗运动的应用 204
7.5 细胞的操控 206
7.5.1 细胞及细胞操撞的特点 206
7.5.2 细胞操撞的一般方法 208
7.5.3 细胞的特殊操控方法 215
7.6 本章小结 219
参考文献 219
第8章 撒谎控芯片流动的数值模拟方法 222
8.1 基于连续性的微流动数值模型 225
8.1.1 微尺度电渗流数值模拟 225
8.1.2 液滴/气泡的数值模拟方法 232
8.2 基于非连续性的微流动计算模拟 235
8.2.1 分子动力学模拟 235
8.2.2 格子-玻尔兹曼算法 237
8.2.3 耗散颗粒动力学算法 240
8.3 流体力学计算软件和开放源代码介绍 244
8.4 本章小结 245
参考文献 245
第9章 微尺度流动测量方法 249
9.1 Mi oPIV/PTV速度测量系统 250
9.1.1 粒子图像测速原理 250
9.1.2 MicroPIV/PTV系统组成 251
9.1.3 MicroPIV/PTV系统主要参数及特点 253
9.2 NanoPIV/PTV速度测试技术 258
9.2.1 全内反射技术原理 258
9.2.2 NanoPIV系统组成及主要技术参数 259
9.3 激光扫描共聚焦系统 260
9.3.1 扫描共聚焦显微镜的成像原理 260
9.3.2 激光扫描共聚焦系统组成和主要参数 262
9.4 压力与流量测量 264
9.4.1 压力测量 264
9.4.2 流量测量 265
9.4.3 流量/压力控制仪 266
9.5 温度和浓度测量 267
9.5.1 温度测量 267
9.5.2 浓度测量 269
9.6 微流动测量实例 270
9.6.1 应用MicroPIV技术测量微液滴流场 270
9.6.2 应用共聚焦显微镜测量液滴内部流场 271
9.7 本章小结 272
参考文献 272
结束语 275
专业词汇索引 277
主要符号表
第1章 绪论
1.1 微流控芯片 2
1.2 微流控芯片的流动机理研究 4
1.2.1 微流控学与微尺度流体力学 4
1.2.2 微流控芯片中流动研究的框架 6
1.3 微尺度流动的研究内容及特点 8
1.3.1 微尺度流动的主要研究内容 8
1.3.2 微尺度流动的主要特点 14
1.4 微流控芯片中的局部纳流控简介 17
1.5 本章小结四
参考文献 19
第2章 微流控芯片压差流动 22
2.1 连续介质流动方程组 23
2.1.1 连续性方程 23
2.1.2 动量方程 24
2.1.3 能量方程 25
2.1.4 牛顿流体与非牛顿流体 25
2.1.5 连续性假设的适用性 27
2.2 典型流动 28
2.2.1 二平板间的流动 28
2.2.2 元限长直圆管中的秸性流动 30
2.2.3 斯托克斯流动 31
2.3 管道流动参数诈算 32
2.3.1 管道能量损失计算公式 32
2.3.2 管道流量公式 33
2.3.3 管道截面尺寸对流量的影响 34
2.3.4 复杂管网的流量计算 36
2.4 边界条件 38
2.4.1 滑移边界条件 38
2.4.2 光滑表面滑移长度的估算 41
2.4.3 粗糙表面滑移长度的估算 43
2.5 应用实例 45
2.5.1 惯性力的作用 45
2.5.2 气动阀门与PDMS材料模量的关系 46
2.5.3 流体整流器 48
2.5.4 多功能脉神流动徽过滤器 48
2.6 本章小结 50
参考文献 50
第3章 微流擅芯片电动流动 52
3.1 微流控系统多物理场搞合电动流动方程组 53
3.1.1 双电层，电渗流和怕松-玻尔兹曼方程 53
3.1.2 徽流控系统电动流动多物理场捐合方程组 61
3.2 电渗流特性和影响因素 65
3.2.1 电渗流的焦耳熟效应 65
3.2.2 压强差流动的电截性效应 70
3.2.3 电场调控电渗流 72
3.3 交变电渗流动 76
3.3.1 均句等面微通道交变电场驱动电渗流 77
3.3.2 交变电场调控双电层和电解质离子运动 84
3.3.3 对称和非对称电极组交变电渗流 87
3.3.4 行披电场电渗流 88
3.4 应用实例 91
3.4.1 电渗梳泵 91
3.4.2 电泳分离溶液的电动进祥 92
3.4.3 电动液体棍合器 93
3.5 本章小结 94
参考文献 94
第4章 微流控芯片的传质与传热 99
4.1 传输过程 100
4.1.1 分子传输现象 100
4.1.2 非稳态传输现象 102
4.2 流动传质规律 102
4.2.1 对流-扩散方程 102
4.2.2 泰勒弥散 103
4.2.3 有效扩散系数的计算 104
4.2.4 T形通道扩散过程 104
4.3 微混合器 105
4.3.1 被动掘舍 105
4.3.2 主动棍合 107
4.4 传热现象 108
4.4.1 微尺度传热基本特征 108
4.4.2 典型的微尺度热物理效应 108
4.5 应用实例 111
4.5.1 浓度梯度的形成 111
4.5.2 微流控免疫测定芯片的性能优化 113
4.5.3 微流控聚合酶链式反应 115
4.5.4 基于相变原理的微阀 117
4.6 本章小结 118
参考文献 118
第5章 微通道中的液滴运动 120
5.1 微尺度多相流液滴动力学的基本原理 121
5.1.1 液滴动力学中的无量纲参数 121
5.1.2 润湿现象 122
5.1.3 徽通道中的液滴流动行为 123
5.2 微通道中的液滴操控 126
5.2.1 液滴生成方式 126
5.2.2 液滴输运方式 128
5.2.3 具有粗糙表面通道内的液滴运动 129
5.2.4 液滴分选与定位 130
5.2.5 液滴融合 131
5.3 应用实例 132
5.3.1 灌满的混合增强 132
5.3.2 微生物研究 134
5.3.3 微反应器 135
5.3.4 液滴/气泡逻辑 136
5.4 本章小结 138
参考文献 138
第6章 表面润湿现象 140
6.1 基本概念 141
6.1.1 润湿性 141
6.1.2 真实表面 143
6.1.3 分离压力 147
6.2 毛细效应 149
6.2.1 液滴的形状 149
6.2.2 弯月面 150
6.2.3 毛细提升简介 151
6.3 液滴在固体表面的运动 153
6.3.1 被滴移动的速度 153
6.3.2 液滴的铺展 154
6.3.3 润湿性梯度驱动的液滴运动 156
6.4 数字微流控 158
6.4.1 电润湿的基本概念 158
6.4.2 Taylor-Melcher漏电介质模型 161
6.4.3 电润湿下的液滴运动 163
6.4.4 交流电润湿 167
6.4.5 纳尺度电润湿 170
6.5 应用实例 173
6.5.1 蛋白质组学 174
6.5.2 DNA处理 175
6.5.3 基于电润湿技术的聚合酶链式反应 177
6.5.4 集成电路的冷却 178
6.6 本章小结 179
参考文献 180
第7章 微流控芯片的粒子受力和运动 184
7.1 粒子表面特性与运动的描述 185
7.1.1 溶液中粒子的表面特性 185
7.1.2 溶液中橙子运动的一般描述 186
7.1.3 受限粒子的运动 190
7.2 粒子电泳与介电电泳 193
7.2.1 粒子电泳 193
7.2.2 粒子介电电泳 194
7.3 粒子的其他作用力 198
7.3.1 磁场力和磁泳 198
7.3.2 声驻波力 199
7.3.3 光辐射力 200
7.4 纳米粒子的布朗运动 201
7.4.1 朗之万方程 202
7.4.2 粒子扩散与热力学力 203
7.4.3 纳米粒子布朗运动的应用 204
7.5 细胞的操控 206
7.5.1 细胞及细胞操撞的特点 206
7.5.2 细胞操撞的一般方法 208
7.5.3 细胞的特殊操控方法 215
7.6 本章小结 219
参考文献 219
第8章 撒谎控芯片流动的数值模拟方法 222
8.1 基于连续性的微流动数值模型 225
8.1.1 微尺度电渗流数值模拟 225
8.1.2 液滴/气泡的数值模拟方法 232
8.2 基于非连续性的微流动计算模拟 235
8.2.1 分子动力学模拟 235
8.2.2 格子-玻尔兹曼算法 237
8.2.3 耗散颗粒动力学算法 240
8.3 流体力学计算软件和开放源代码介绍 244
8.4 本章小结 245
参考文献 245
第9章 微尺度流动测量方法 249
9.1 Mi oPIV/PTV速度测量系统 250
9.1.1 粒子图像测速原理 250
9.1.2 MicroPIV/PTV系统组成 251
9.1.3 MicroPIV/PTV系统主要参数及特点 253
9.2 NanoPIV/PTV速度测试技术 258
9.2.1 全内反射技术原理 258
9.2.2 NanoPIV系统组成及主要技术参数 259
9.3 激光扫描共聚焦系统 260
9.3.1 扫描共聚焦显微镜的成像原理 260
9.3.2 激光扫描共聚焦系统组成和主要参数 262
9.4 压力与流量测量 264
9.4.1 压力测量 264
9.4.2 流量测量 265
9.4.3 流量/压力控制仪 266
9.5 温度和浓度测量 267
9.5.1 温度测量 267
9.5.2 浓度测量 269
9.6 微流动测量实例 270
9.6.1 应用MicroPIV技术测量微液滴流场 270
9.6.2 应用共聚焦显微镜测量液滴内部流场 271
9.7 本章小结 272
参考文献 272
结束语 275
专业词汇索引 277
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