微流动及其元器件PDF电子书下载

第1章　绪论 1

1.1　流动的多样性 1

1.2　微流动的含义 2

1.3　微流动的特殊效应 4

1.3.1　稀薄效应 5

1.3.2　不连续效应 6

1.3.3　表面优势效应 7

1.3.4　低雷诺数效应 8

1.3.5　多尺度多物态效应 9

1.4　微流动中的几个关键参数 10

1.4.1　雷诺数 10

1.4.2　克努森数 10

1.4.3　马兰戈尼数 11

1.5　微流动的应用领域 12

第一篇　微流动的基本理论第2章　预备知识——矢量与张量的概念 15

2.1　矢量的算法 15

2.1.1　矢量的概念 15

2.1.2　矢量分析 18

2.1.3　场论用语 19

2.2　张量的算法 22

2.2.1　张量的概念 22

2.2.2　张量的运算 25

第3章　微流动分析的基础 29

3.1 微流动概述 29

3.1.1　根据克努森数对微流动进行分类 29

3.1.2　微流动的处理方法 30

3.2 气体分子动力论在微流动中的应用 31

3.2.1　基本概念 31

3.2.2 Liouville定理 32

3.2.3 BBGKY方程 33

3.2.4　由BBGKY方程组求解Boltzmann方程 37

3.2.5　用Chapman-Enskog方法求解Boltzmann方程 42

3.3 Boltzmann方程的三种近似方程 48

3.3.1 Boltzmann方程的零阶近似和一阶近似——Euler方程和Navier-Stokes方程组 48

3.3.2 Boltzmann方程的二阶近似——Burnett方程组 52

3.3.3 Boltzmann方程的三种近似方程的比较及其应用 54

3.4　分子作用力模型及碰撞项中各系数的确定 55

第4章　Burnett方程组的求解方法 59

4.1 Burnett方程——非线性偏微分方程求解方法简介 59

4.1.1　分析计算方法 59

4.1.2　数值计算方法 59

4.1.3　蒙特卡罗直接模拟法（DSMC） 61

4.2　用分析法求解Burnett方程组 61

4.2.1　三维微流动中的Burnett方程 61

4.2.2　二维微流动中的Burnett方程 62

4.2.3　不可压缩的一维微流动时的Burnett方程 78

4.2.4　可压缩一维定常微流动时的Burnett方程 84

4.2.5　可压缩等温一维非定常微流动时的Burnett方程 86

4.2.6　细长微流道中等温一维定常流动时的Burnett方程 93

4.2.7　微流道中的等温二维非定常流动时的Burnett方程 95

4.3 Couette微流动的Burnett方程理论解 103

4.3.1　通用式推导 103

4.3.2 y-T函数 107

4.3.3 y-p函数 109

4.3.4 y-u函数 111

4.4　与Poiseuille流相结合的Couette流 113

4.5　能量方程与传热 115

第5章　GDQ方法求解Burnett方程组 121

5.1　GDQ方法简介 121

5.1.1 GDQ方法的提出 121

5.1.2　网格的划分 123

5.1.3　二阶及高阶加权系数的求取 125

5.1.4 多维空间中的GDQ方法 126

5.2　应用GDQ方法时的技巧 127

5.2.1　网格的选用 127

5.2.2　初值的选取 129

5.2.3　边界条件的确定 129

5.2.4　流动方程组的离散化 130

5.2.5　压力修正量的确定——SIMPLE方法 130

5.2.6　迭代方法的选用——Gauss-Seidel方法 131

5.3 GDQ方法在求解不可压缩二维流动的Navier-Stokes方程中的应用 133

5.3.1　不可压缩二维流动的Navier Stokes方程 133

5.3.2　基本方程的离散化 133

5.3.3　迭代方法及收敛条件 135

5.3.4　边界条件的确定 138

5.3.5　迭代步骤、程序框图及计算结果 140

5.4 GDQ方法在求解Burnett方程组中的应用 143

5.4.1　不可压缩一维微流动时的Burnett方程 143

5.4.2 Couette微流动的Burnett方程 147

第6章 边界层内的流动及阻力系数 151

6.1　流体动力边界层——粘性边界层 151

6.1.1　粘性边界层对流动的影响 151

6.1.2　充分发展的进口长度 169

6.2 Knudsen边界层 175

6.3　速度滑移 177

6.3.1　速度滑移简介 177

6.3.2　速度滑移的产生及其一阶表达式 178

6.4　温度突跳的产生及其一阶表达式 180

6.5 速度滑移与温度突跳的计算 181

6.5.1　计算中的问题 181

6.5.2　高阶速度滑移的处理方法 181

6.5.3　动量调节系数与热量调节系数 183

6.6 考虑速度滑移后微流动的计算 183

6.6.1 考虑速度滑移及温度突跳后的管内流动 183

6.6.2　在细长微流道中有速度滑移的微流动 186

6.6.3　有滑移的Couette微流动 192

6.7　边界条件 199

6.7.1　正常情况下的边界条件 199

6.7.2　影响边界条件的其他因素 199

6.8　局部流动阻力 202

6.8.1　局部流动阻力的概念 202

6.8.2 工程上的局部阻力 202

6.8.3　微流动元器件中的局部阻力及其利用 209

第7章 用蒙特卡罗（Monte Carlo）直接数值模拟（DSMC）方法求解微流动 217

7.1 DSMC方法简介 217

7.2　求解微流动时DSMC方法的具体化 218

7.3 求解Couette微流动时DSMC方法的步骤及其程序框图 220

7.4 DSMC计算结果与GDQ数值计算结果的比较 221

第8章　微流动中的流体及其有关特性 227

8.1　概述 227

8.2　空气及其他气体 229

8.3　水 231

8.4　溶液 233

8.4.1　概述 233

8.4.2　两组分全溶流体的相图 235

8.4.3　电解质溶液 239

8.5　胶体溶液 243

8.6　血液 248

第二篇　微流动中的动力源及其引起的微流动第9章 微流动中的推动力及其引起的微流动 261

9.1　微流动中的常规动力 261

9.1.1　压力驱动管槽内的微流动——Poiseuille流 261

9.1.2　压力喷管与热力喷管内的微流动 262

9.1.3　剪切力驱动的微流动 265

9.2　微流动中的非常规动力 267

9.2.1　简介 267

9.2.2 非常规动力源 267

第10章 毛细现象及表面张力引起的微流动 269

10.1　简介 269

10.2　弯曲表面下的压力与表面张力 269

10.3　表面浸润与展布 272

10.4　粘附功 274

10.5　表面构形的影响 277

10.6　毛细现象对微流动的影响 277

10.6.1　对边界条件的影响 277

10.6.2　毛细现象所引起的微流动 278

10.6.3　相变引起的毛细微流动 279

10.6.4　表面张力梯度驱动对流的量纲一参数 279

10.6.5　影响表面张力的因素 280

10.7　毛细现象在微流动中的应用 285

10.7.1　气泡式微泵 285

10.7.2　微阀 286

10.7.3　喷墨打印头 287

10.7.4　气泡执行器 287

第11章　动电现象引起的微流动 289

11.1　简介 289

11.2　产生双电层错位的基本原理 289

11.3 Stern面与滑动面 291

11.4　双电层对微流动的影响 293

11.5　动电现象在微流动中的应用 297

11.5.1　电渗流 297

11.5.2　电泳流 298

第12章　介电电泳引起的微流动 299

12.1　简介 299

12.2　介电电泳的基本原理 300

12.3　电极的不同几何组合及其介电力 304

12.4　高频交流电场中的介电力 306

12.5　介电电泳在微流动中的应用 307

12.5.1　介电电泳流 308

12.5.2　微粒的操纵 309

第13章　渗透和扩散现象引起的微流动 311

13.1　简介 311

13.2　渗透的基本原理及渗透压强 312

13.3　扩散现象的基本原理及扩散系数 314

13.4　渗透及扩散现象在微流动中的应用 317

13.4.1　微混合器中的层流扩散混合 317

13.4.2　渗透泵片剂 318

第14章　附壁现象中的微流动 321

14.1　简介 321

14.2　附壁现象的基本原理 321

14.3　附壁效应在微流动中的应用 327

14.3.1　可控制微流放大器 327

14.3.2　微流振荡器 328

14.3.3　微阀 328

14.3.4　Tesla泵 328

第15章　微型热管中的微流动 331

15.1　简介 331

15.2　微型热管的基本工作原理 332

15.3　微型热管中的微流动 335

第16章　相变现象及多相流引起的微流动 341

16.1　简介 341

16.2　蒸发及气泡的形成 341

16.3　冷凝及液滴的形成 348

16.4　二次液滴的形成与Weber数 353

16.5　两相流动的基本概念 356

16.6　相变及多相流在微流动中的应用 357

16.6.1　相变阀与相变泵 357

16.6.2　多相微流动 358

第17章　流变效应引起的微流动 359

17.1　简介 359

17.2　血液 360

17.3　流变体在微流动中的应用 361

第三篇　微流动中的元器件及微流管网第18章　微阀 365

18.1　微阀的形式 365

18.1.1 变截面微阀（缩／扩式微阀） 366

18.1.2　舌片式微阀（悬梁式微阀） 366

18.1.3　膜片式微阀 369

18.1.4　附壁式微阀 377

18.1.5　表面张力及气泡式微阀 378

18.1.6　电毛细力微阀 379

18.1.7　流变式微阀 380

18.1.8　凝胶微阀 380

18.1.9　多相微阀 381

18.2　微阀的驱动 381

18.2.1　双金属片式驱动 382

18.2.2　形状记忆材料驱动 387

18.2.3　压电效应驱动 389

18.2.4　静电力与电磁力驱动 390

18.2.5　化学和物理化学作用驱动 392

18.2.6　气动与热力气动驱动 395

18.2.7　毛细力驱动 396

18.2.8　其他形式的驱动 397

第19章　微泵 399

19.1　微泵的形式 399

19.2 机械式微泵 400

19.2.1　有阀机械式微泵 400

19.2.2　无阀阻差式微泵 401

19.2.3　旋转式微泵 402

19.2.4　其他形式的机械式微泵 403

19.3 非机械式微泵 404

19.3.1　压力梯度微泵 405

19.3.2　浓度梯度微泵 407

19.3.3　电位梯度微泵 407

19.3.4　磁场梯度微泵 412

19.3.5　物理化学变化及其他形式微泵 413

第20章　微混合器与微分离器 415

20.1　微混合器的形式 415

20.2 弱化层流型微混合器——被动型 417

20.2.1　多维扰动型 418

20.2.2　弯道二次流型 418

20.2.3　分流型 418

20.2.4　喷注型 418

20.2.5　填床型 419

20.2.6　液滴型 419

20.3　强化层流型微混合器——扩散型 419

20.3.1 多层平行型 419

20.3.2　圣诞树型 419

20.4　弱化层流型微混合器——主动型 420

20.4.1　机械力式 420

20.4.2　电场力式 420

20.4.3 电磁力式 421

20.4.4　超声波式 421

20.5　微分离器 421

20.5.1　利用不同尺度进行分离 421

20.5.2　利用不同扩散度进行分离 422

20.5.3　利用不同质量进行分离 422

20.5.4　毛细管电泳分离 423

20.5.5　介电电泳分离 428

第21章　微流道及其特点 429

21.1 进口效应 429

21.1.1　层流发展区与动力进口长度 429

21.1.2　层流进样效应 430

21.2　弯道效应 430

21.3　微流通道 431

第22章　微动力机械 437

22.1　简介 437

22.2　微动力循环 437

22.3　微透平 439

22.3.1　简介 439

22.3.2　微透平膨胀机的计算 440

22.3.3　微透平流动损失的分析 445

22.4 微气体轴承 446

22.4.1　简介 446

22.4.2　静压气体轴承 447

22.4.3　典型的微静压气体轴承结构 449

参考文献 451

索引 461