定 价：59 元
丛书名：普通高等教育“十三五”规划教材普通高等院校工程实践系列规划教材
- 作者：林建忠等著
- 出版时间：2010/1/1
- ISBN：9787030264749
- 出 版 社：科学出版社
- 中图法分类：O35
- 页码：274
- 纸张：胶版纸
- 版次：1
- 开本：16开
《微纳流动理论及应用》介绍微纳流动的实际应用以及相关的理论基础；分析了用于微纳流动研究的基本方程——Bumett方程及该方程的稳定性特征；探讨了微纳流动中Couette流、Poiseuille流和后向台阶流的流动与传热特性；研究了压力和电渗驱动下微纳流动的扩散、混合和分离；叙述了各类微流混合器的特性并探讨了高效微流混合器的设计和模拟方法。
《微纳流动理论及应用》可供力学、机械、材料、化学化工、工程热物理、生物、医学、仪器仪表及相关专业的科研人员、工程技术人员、教师以及研究生和高年级大学生阅读。
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近二十多年来，自然科学和工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，微纳机电系统和微全分析系统是其中的两个典型。微纳机电系统可以完成大尺度机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺度系统中，把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平，该系统已在工业、国防、航天航空、医学、生物工程、农业和家庭服务等领域获得了重要应用并有着广阔的应用前景。微全分析系统是目前分析仪器发展的重要方向，它的出现不仅可以使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低，而且使分析速度大大提高，费用大大下降微全分析系统以微管道网络为结构特征，可对微量流体进行采样、稀释、反应、分离、检测等复杂和精确的操作，因而有广泛的应用前景，如可用于稀有细胞的筛选、信息核糖核酸的提取和纯化、基因测序、单细胞分析、蛋白质结晶、药物检测等。
然而，无论是微纳机电系统还是微全分析系统，都与流体在微纳通道中的流动密切相关。在以往的微纳机电系统和微全分析系统发展过程中，过分强调了加工技术的重要性，而对其内部的非常规的物理机制重视不够，导致加工技术的发展超前于非常规物理现象的研究，使得这些系统的设计、制造、优化和应用水平的提高受到限制。而微纳通道流场中流体的运动便是非常规物理现象中一个非常关键的问题，是其他学科发展的基础。
微纳通道流动中会出现明显不同于常规尺度下的流动现象，一是当通道特征尺寸和流体分子平均自由程相当时，流体连续介质假定不再成立，此时要考虑滑移现象、热蠕动效应、稀薄效应、黏性加热效应、可压缩性、分子间作用力和一些其他的非常规效应；二是在微纳通道中，作用在流体上的各种力的相对重要性发生了变化；三是由于微效应，微纳通道中的流体扩散与混合机理与常规尺度下的情形不同，而控制流体的扩散与混合对有效控制化学分析、生物分析的速度和效率以及微纳机电器件的设计和制造具有重要意义。目前，微纳流动问题已成为国际性研究前沿，对其研究不仅有学术价值，而且对相关的应用领域具有指导意义。
近十年来，作者与课题组成员一同对微纳流动进行了系统、深入的研究，给出了描述微纳流动的不同种类Burnett方程的稳定性分析和失稳的临界Knudsen数；对Burnett。方程结合高阶滑移边界条件，用松弛方法获得了最高Knudsen数情况下Couette流的收敛结果。提出了边界层等效厚度概念，使得可将常规尺度流动的理论用于微纳流动，并得到了硅和不锈钢两种材料的等效厚度。
目录
前言
常用基本符号说明
第一章 绪论 1
1.1 微纳尺度通道流动的应用 1
1.1.1 微机电系统 1
1.1.2 纳机电系统 3
1.1.3 微全分析系统 5
1.2 研究微纳尺度流动的重要性 8
1.3 微纳尺度流动的特点 10
参考文献 13
第二章 微纳尺度流动基础 17
2.1 微纳尺度流动的流场参数 17
2.1.1 Knudsen数 17
2.1.2 流动区域的划分 18
2.1.3 其他一些重要参数 18
2.2 微纳尺度流动的基本方程 19
2.2.1 连续区和滑移区流体运动基本方程 19
2.2.2 低Kn数过渡区流体运动基本方程 21
2.2.3 对流扩散的控制方程 22
2.2.4 电渗驱动流体运动基本方程 22
2.2.5 边界条件 22
2.3 微纳尺度流动的数值模拟 29
2.3.1 基于连续介质假设的方法 30
2.3.2 基于分子模拟的方法 40
2.3.3 格子Boltzmann方法 44
2.4 微纳尺度流动的实验测试技术 50
2.4.1 影响微纳尺度流场实验的因素 50
2.4.2 流动参数测量 52
2.4.3 流动显示技术 54
参考文献 55
第三章 Burnett方程及稳定性分析 60
3.1 Burnett方程 60
3.2 二维增广Burnett方程 61
3.3 其他类型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方程的稳定性分析 67
3.4.1 研究综述 67
3.4.2 常规Burnett方程的稳定性分析 67
3.4.3 增广Burnett方程的稳定性分析 72
3.4.4 Woods方程的稳定性分析 75
3.4.5 BGK Burnett方程的稳定性分析 77
附录 79
参考文献 80
第四章 Couette流及圆管流 83
4.1 滑移边界条件 83
4.1.1 滑移边界条件表达式 85
4.1.2 切向动量适应系数 86
4.2 Couette流的方程和边界条件 87
4.2.1 控制方程 88
4.2.2 边界条件 90
4.3 Couette流方程的求解和程序验证 93
4.3.1 方程求解 93
4.3.2 求解Burnett方程和用IP方法计算结果的比较 95
4.4 Couette流动和传热特性 98
4.4.1 基本物理量的分布 98
4.4.2 马赫数对流场的影响 101
4.5 圆管流场及等效厚度 103
4.5.1 基本方程 104
4.5.2 黏性系数公式 104
4.5.3 计算方法 106
4.5.4 计算结果与讨论 106
4.5.5 等效厚度 110
参考文献 111
第五章 Poiseuille流及后向台阶流与空腔流 115
5.1 Burnett方程的求解 115
5.1.1 求解方法 115
5.1.2 源项的处理 116
5.1.3 边界条件 117
5.1.4 松弛方法 118
5.2 二维Poiseuille流动和传热模拟 119
5.2.1 程序的验证 120
5.2.2 与其他方法所得结果的比较 123
5.2.3 入口与壁面温度一致时的结果 126
5.2.4 入口与壁面温度不一致时的结果 130
5.3 后向台阶流动的模拟 133
5.3.1 与其他方法的比较 134
5.3.2 后向台阶流动特性 136
5.3.3 不同压力比的影响 138
5.3.4 不同Kn数的影响 140
5.3.5 不同台阶比的影响 141
5.4 三维空腔流动的模拟 143
5.4.1 方程及求解 143
5.4.2 计算结果及分析 145
参考文献 150
第六章 压力驱动下微流动的扩散、混合和分离 153
6.1 概述 153
6.1.1 微通道内物质扩散理论和数值模拟基本方法 154
6.1.2 微通道内物质扩散的实验研究方法 156
6.1.3 扩散、混合、分离程度的衡量指标 161
6.2 压力驱动下微流动的扩散 164
6.2.1 二维微通道中横向扩散 164
6.2.2 三维矩形微通道的横向扩散 171
6.3 压力驱动下微流动的混合 174
6.3.1 二维弯曲通道的流体混合 177
6.3.2 三维弯曲通道的流体混合 178
6.4 压力驱动下微流动的分离 180
6.4.1 弯道与分离的关系 180
6.4.2 三维矩形截面弯道中流体的分离 180
参考文献 190
第七章 电渗驱动下微流动的扩散、混合和分离 193
7.1 概述 193
7.1.1 电渗流产生的机理 193
7.1.2 电渗流特点 196
7.1.3 控制方程 196
7.1.4 边界条件 198
7.1.5 离散方法 199
7.2 电渗驱动下微流动的扩散 200
7.2.1 毛细管电泳通道接管对流扩散的理论研究 200
7.2.2 毛细管电泳通道接管流动的数值模拟 205
7.3 电渗驱动下微流动的混合 210
7.3.1 微流动混合研究状况 210
7.3.2 控制方程 211
7.3.3 边界条件 213
7.3.4 计算结果及讨论 213
7.4 电渗驱动弯道流中微流动的混合 217
7.4.1 基本参数 217
7.4.2 计算结果及讨论 218
7.5 电渗驱动下微流动的分离及弯道效应的消除 224
7.5.1 微流动分离及弯道效应 224
7.5.2 弯道效应的数学模型 225
7.5.3 弯道效应的显示 225
7.5.4 消除弯道效应的新方法 228
7.5.5 最优化设计 229
7.5.6 结果分析 229
参考文献 234
第八章 微流混合器 239
8.1 概述 239
8.1.1 微流混合器的应用与性能要求 239
8.1.2 微流混合器的分类 239
8.2 衡量混合效果的指标 251
8.2.1 浓度方差指标 251
8.2.2 Lyapunov混沌指标 252
8.2.3 图像中示踪粒子密度指标 253
8.2.4 CCD图像直接计算混合效率 253
8.3 混沌混合理论 254
8.3.1 粒子轨道 254
8.3.2 各态经历理论 255
8.3.3 关联衰减 256
8.3.4 映射 258
8.4 螺旋式微混合器及其流场的数值模拟 260
8.4.1 螺旋式结构的分层作用 260
8.4.2 Re数与混合效果关系 262
8.4.3 不同通道结构的混合效果 263
8.5 磁性微混合器 263
8.5.1 磁流体的制备 264
8.5.2 旋转磁场下磁性流体的动力学特性 267
8.5.3 磁性微混合器的原理和性能分析 268
参考文献 270
随着科技的发展，微纳尺度通道内的流动问题越来越普遍，研究对象的微型化是近二十年来自然科学和工程技术发展的一个重要趋势，本章首先介绍微纳尺度通道流动中最典型的应用。与常规尺度通道内的流动问题相比，微纳尺度通道内的流动有其特殊的性质，本章接着介绍微纳尺度通道内流动的特点。
1.1微纳尺度通道流动的应用
关于“微通道”的概念，著名物理学家Feynman于1959年的美国物理学年会上有过一个经典的描述：“There’s plenty of room at the bottom”。在这个plenty of room里大有文章可做
1.1.1微机电系统
Feynman在1959年的年会上还预言了微型机械将起的作用，并认为制造技术将沿两个途径发展，一是top。down的从宏观到微观的途径；另一是bottom-up的从最小构造模块的分子开始进行物质构筑的途径。如今，Feynman的这两个构想已成为现实。
1.定义
微型化是当今科技发展的一个重要特征2-4，微机电系统f：micro electro mechan ical systems，MEMS）是其中的一个典型例子。MEMS是指基于集成电路工艺设计制造并集电子元件与机械器件于一体的微小系统3但是，目前国际上对MEMS还没有一个统一的定义，美国学者将MEMS定义为由电子和机械元件组成的集成微器件和微系统，是采用和集成电路兼容的工艺所制造且可批量生产，能将计算、传感和执行融为一体从而改变感知和控制自然世界的系统，MEMS的尺度介于微米和毫米之间。日本学者将MEMS定义为由只有几毫米大小的功能元件组成、能执行复杂和细微工作的系统。欧洲学者将MEMS定义为具有微米级结构的产品，并具有微结构形状所能提供的技术功能。而中国学者将MEMS定义为是一种由微机械和微电子组成的装置，其中微机械被微电子所控制，大多数情况下含有微型传感器，可由微加工技术和集成电路工艺批量制造。
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