异质电荷非均匀微流控器件中电解质液体流动电粘性效应的CFD分析

本文对对称电解质液体在异质电荷收缩-扩张(4:1:4)微流控器件中的压力驱动流进行了数值研究。通过使用有限元法(FEM)数值求解由泊松方程、能斯特-普朗克(NP)方程、纳维-斯托克斯(NS)方程和连续性方程组成的数学模型，得到了总电势($U$)、离子浓度($n_\pm$)、速度(${V}$)和压力($P$)场。结果针对宽范围的无量纲参数给出，如逆德拜长度($2\le K\le 20$)、表面电荷密度($4\le S_\text{1}\le 16$)和表面电荷异质性比($0\le S_\text{rh}\le 2$)。结果表明，在$K$和$S_1$的范围内，随着电荷异质性($0\le S_\text{rh}\le 2$)的整体增强，总电势($\Delta U$)和压力($\Delta P$)降的最大变化分别为3511.45% (0.2127到7.6801) (在$S_1=4$, $K=20$时)和41.4% (1.0941到1.5471) (在$S_1=16$, $K=2$时)。电粘性修正因子$Y$(即表观粘度与物理粘度之比)随着$S_1$从4到16、$K$从20到2、$S_\text{rh}$从0到2的变化，最大分别增加24.39% (1.1158到1.3879) (在$K=4$, $S_\text{rh}=1.75$时)、37.52% (1.0597到1.4573) (在$S_1=16$, $S_\text{rh}=2$时)和41.4% (1.0306到1.4573) (在$S_1=16$, $K=2$时)。此外，相对于非EVF($S_1=0$或$K=\infty$)，$Y$的整体增量为45.73% (1到1.4573) (在$K=2$, $S_1=16$, $S_\text{rh}=2$时)。因此，电荷异质性增强了微流控器件中的电粘性效应，这使得利用当前的数值结果为实际微流控应用设计可靠且必要的微通道成为可能。