电场调控电渗流微涡旋机理和生物颗粒操控

微流体系统是与微尺度流体力学相关的生物、化学、电学和热传导等多物理场耦合研究前沿课题。离散电极-电场调控电渗流微涡旋和生物颗粒操控是当前微流体系统最新技术之一。本项目采用数值分析、模型实验和 Micro PIV手段系统研究电渗流微涡旋原理和动力学特性，以及其中的生物颗粒受力和运动规律。研究内容：（1）任意离散电极调控双电层和电渗流微涡旋动力学特性, 包括离散电极的大小，形状，尺度，位置，间距，以及施加电场大小（直流或交变）对电渗流微涡旋的影响（2）电渗流微涡旋的生成、发展，运动，演化规律（3）在电渗流微涡旋流场和电场联合作用下，生物颗粒（细胞，细菌，病毒等）的受力、运动、定位、浓缩和分离等动力学特性。这项研究对微流体系统多场耦合流动现象的内在规律深入认识， 开发潜在应用，以及高性能微流控芯片的优化设计有重要意义。

研究内容：.（1）任意离散电极调控双电层和电渗流微涡旋动力学特性, 包括离散电极的大小，形状，尺度，位置，间距，以及施加电场大小对电渗流微涡旋的影响。.（2）在电渗流微涡旋流场和电场联合作用下，生物颗粒的受力、运动、定位、浓缩和分离等动力学特性。. (3) 大数量密集颗粒在电场中 (DC, AC, 二维圆柱颗粒， 三维球颗粒 ) 相互干涉行为和新算法研究（迭代偶极矩法）.研究结果表明：.（1）微通道壁面局部电极, 施加调控电压后会在微通道内产生局部电渗流微涡旋和扰乱局部电场, 使得微通道颗粒同时承受流体微涡旋吸引力和介电力。通过微通道电极，颗粒和缓冲液特性的优化组合, 可以有效分离正(负)介电泳颗粒。.（2）本研究首次提出的新算法：迭代偶极矩法（IDM），应用于计算颗粒相互介电力和相互干涉运动。通过IDM与MST两种算法比较，一系列算例证（二维、三维，直流、交流电场）证实了IDM算法的精度、收敛性和应用的简便性，同时避免了MST算法中的复杂数值计，方便应用。IDM算法是对传统介电泳技术理论基础的创新发展。