非均匀带电均匀微流控器件中电解质液体流动电粘效应的CFD分析

本研究数值研究了对称(1:1)电解质液体通过均匀狭缝微流控器件的电粘流中的电荷非均匀性效应。采用有限元法(FEM)求解泊松方程、能斯特-普朗克(N-P)方程、纳维-斯托克斯(N-S)方程和连续性方程，以获得以下条件下的流场，如总电势($U$)、过剩电荷($n^\ast$)、感应电场强度($E_\text{x}$)和压力($P$)场：逆德拜长度($2\le K\le 20$)、表面电荷密度($4\le \mathit{S_\text{1}}\le 16$)和表面电荷非均匀性比($0\le \mathit{S_\text{rh}}\le 2$)。结果表明，随着整体电荷非均匀性($0\le \mathit{S_\text{rh}}\le 2$)的变化，总电势降($|\Delta U|$)和压力降($|\Delta P|$)最大分别增加99.09%(在$K=20$，$\mathit{S_\text{1}}=4$时)和12.77%(在$K=2$，$\mathit{S_\text{1}}=8$时)。电粘修正因子(即有效粘度与物理粘度之比)随$\mathit{S_\text{rh}}$从0到2、$K$从20到2、$\mathit{S_\text{1}}$从0到16的变化，最大分别增强12.77%(在$K=2$，$\mathit{S_\text{1}}=8$时)、40.98%(在$\mathit{S_\text{1}}=16$，$\mathit{S_\text{rh}}=1.50$时)和41.35%(在$K=2$，$\mathit{S_\text{rh}}=1.50$时)。此外，开发了一个简单的伪解析模型来估计电粘(EV)流中的压力降，该模型基于均匀通道中的泊肃叶流考虑了电荷非均匀性的影响。该模型预测的压力降在数值结果±2-4%范围内。该模型的鲁棒性和简洁性使得当前数值结果可用于微流控应用的工程和设计方面。