基于光诱导介电泳原理的粒子操纵研究

理论分析了溶液电导率和粒子直径对光诱导介电泳力的影响,针对光诱导介电泳对微球的操纵机理进行建模仿真。设计了光诱导介电泳芯片,通过激发光电导层的光电效应形成虚拟电极,同时施加高频交流电压,实现了对4μm和10μm聚苯乙烯微球的介电泳力操纵。最终微球在负介电泳力的作用下分别以8.8μm/s和35μm/s的速度运动。通过光诱导介电泳实现了对微球的无接触无损伤的操纵。     

基于光诱导介电泳技术的粒子分离研究

首先介绍了光诱导技术和介电泳技术的基础理论,并以此分析了光诱导介电泳的工作原理;其次,利用COMSOL Multiphysics软件建立仿真模型,对3种不同尺寸的圆环光斑产生的电场和介电泳力进行仿真,以验证光诱导介电泳技术分离粒子的可行性,同时为实验提供参考数据;最后,进行实验操作,验证利用光诱导介电泳技术分离粒子的正...     

基于有效极矩法的非球形细胞高阶介电泳力研究

细胞承受介电泳力的运动模拟在微控研究占据着举足轻重的地位.传统细胞介电泳力的求解理想化地将细胞看作球体进行计算.近似求解忽略了细胞的高阶介电泳力作用,导致分子动力学仿真结果与实验观测存在较大误差.基于有效极矩方法研究了椭球和红细胞的高阶介电泳力.研究发现Pohl介电泳力表达式在球体计算中依旧有效.从1阶至9阶的高阶极子曲线来看,椭球和红细胞奇数项系数非零,且与它们的形状密切相关.中间凹陷两端凸起的红细胞介电泳力大小近似于偏心率1∶5型椭球.研究结果与Ogbi等学者的仿真完全相符.     

微粒受介电泳效应的动力学建模和仿真

Velocity-Verlet或ODE算法分析微粒的运动特征，涉及的偏微分方程存在求解困难、运算量大和使用效率低的难点.采用COMSOL Multiphysics 5.3a有限元软件，通过AC/DC模块中的边界条件设定可快速求解Laplace方程，为介电泳力的求解提供先决条件.后期根据软件提供的粒子追踪模块，将介电泳力、斯托克斯拖曳力、排斥力和浮力内联进粒子追踪模块的应力参数表中，设定固定的时间步长和范围对介电泳芯片的粒子受力运动问题进行了仿真.结果表明，该方法可以有效模拟微粒受介电泳效应的运动行为，并且与Velocity-Verlet或ODE算法模拟结果相似，能有效降低计算程序的繁琐程度，提高动态模拟的人机可视化效果.     

一种微粒相互作用及其介电泳动力学仿真新方法

采用有限元法进行粒子电极化强度的计算,以此得到对应的介电泳力和次级介电泳力.粒子的极化强度依托软件COMSOL Multiphysics 5.3a的AC/DC模块计算得到,粒子追踪模块用于实现介电泳力、次级介电泳力、流体力,以及排斥力的粒子动力学仿真.AC/DC模块和粒子追踪模块的多物理场耦合新方法能够满足正、负介电泳...     

电动微流体显微粒子图像测速误差修正方法

在电动微流体粒子图像测速技术中,示踪粒子的电泳运动是影响测量不确定度的主要因素之一．采用电流方法和粒子图像跟踪技术相结合,测量流体的平均电渗淌度和示踪粒子运动淌度,计算粒子的电泳淌度,据此对显微粒子图像测速结果进行修正．实验测量了直径为520nm的聚苯乙烯示踪粒子在20mmol／L硼砂缓冲液中的电泳淌度,对水力直径小于20μm的锥形微管道Micro-PIV测量流场进行了修正．实验结果表明,修正后的流场速度与数值计算结果一致,该方法可以较好地消除示踪粒子电泳运动对Micro-PIV测量结果的影响．     

介电泳微流控制分离不同尺寸碳纳米管研究

采用介电泳微流控制技术,利用不同尺寸碳纳米管在流动介电液中受到的大小不等的介电泳力,从而产生不同运动轨迹实现分离.通过建立介电泳数学模型和微流控制通道几何模型,对不同尺寸碳纳米管的分离过程进行仿真研究.结果表明:电场强度、流体流速和碳纳米管受到的介电泳力在主通道内最大,不同尺寸碳纳米管的运动轨迹在主通道开始出现分离,最终从不同的出口流出;当交变电压从±5V到±30V逐渐增大时,入口1与入口2的流速和流速比也逐渐增大;相较于异丙醇,用去离子水做介电液,流体流速近似高一个数量级.     

基于介电泳的生物粒子分离芯片

在阐述介电泳基础理论研究成果基础上,研究了传统介电泳力、电动旋转介电泳力和行波介电泳的计算模型力,分析了克劳修斯-莫索提因子对正负介电泳的影响,给出了介电泳力的统一计算模型.研究了基于介电泳技术的多种类型的生物粒子分离芯片的研究现状,并从与芯片实验室的集成性、分离的准确性、分离对象多样性和分离对象的尺寸等综合指标,分析了基于微流体和介电泳混合作用、行波介电泳以及介电笼等方法构造的生物粒子分离芯片各自存在的问题,在此基础上提出综合应用行波介电泳和介电笼分离技术,建立面向200 nm～2 μm的微纳米生物粒子分离芯片,从而为建立满足分子芯片实验室需求的分离芯片研制提供了一个可行的方案.     

集成阵列叉指电极介电泳芯片仿真与实验研究

分析了介电泳芯片中粒子所受的介电泳力的影响因素,采用Comsol软件建立阵列叉指电极介电泳芯片的数学模型。通过设置边界条件,对电极的电场进行仿真并对电极的尺寸参数进行优化。为了对仿真结果进行验证,采用MEMS工艺,在ITO玻璃表面制备出叉指电极结构,并与PDMS微流通道键合之后制备出完整的介电泳芯片。采用酵母菌为实验对象,分别对交流电压以及交流电压频率对介电泳的富集效率的影响进行研究。富集效率随电极施加的电压的增大而增大;但增加到一定的程度,富集效率保持不变。改变交流信号的频率,可以改变介电泳的类型。通过调整交流信号的频率,实现了酵母菌的正负介电泳富集。酵母菌在电导率为1μS/cm的悬浮溶液中,存在两个临界频率,分别为40 k Hz、15 MHz。当交流电压的频率为2 MHz时,酵母菌细胞的富集效率最高。     

光力场中粒子运动轨迹的计算

在采用米氏散射理论严格计算微纳粒子所受光力的基础上,研究了基于欧拉-理查森算法计算粒子运动轨迹的问题.相比欧拉算法和欧拉-克罗默算法,欧拉-理查森算法精度更高且收敛速度更快,是非常适合描绘粒子运动轨迹的方法.纳米粒子在周期性保守光力场中的运动轨迹与物理分析完全吻合,验证了该方法的有效性和稳定性.给出的计算方法,可用于更高效地研究光学微操控中胶体粒子和生物大分子的囚禁、输运、分类,以及宏观粒子的冷却等.     

基于改进遗传算法的电动汽车轨迹优化方法

在复杂障碍物环境中的轨迹规划方法是电动汽车智能辅助驾驶技术的一个重要研究内容.为了使得电动汽车能够在高速行驶工况下平稳转向行驶,提出了一种基于改进遗传算法的轨迹优化方法.本文基于五次多项式进行轨迹规划,用改进遗传算法对五次多项式的参数进行优化,使得规划轨迹满足车辆的动力学约束条件,从而使得优化后轨迹具有更强的可行性.实车实验结果表明,优化后轨迹比优化前轨迹能够更好地满足动力学约束条件,优化效果明显,车辆在高速行驶工况下按照优化轨迹行驶能够进行平稳转向行驶.     

电场作用下单气泡行为的可视化

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像机研究了绝热条件下注入到静止变压器油中的氮气泡在电场作用下的行为。获得了在不同电场作用下气泡形态成长的实验图像,并分析了电场作用下气泡的长径比、脱离体积和脱离周期随电场的变化关系。实验研究表明:随着电场强度的增大,气泡的长径比变大,脱离体积变小,脱离周期变短。电场中气泡行为的改变主要取决于电场强度和电极距离。外电场作用促进了注入气泡从小孔的脱离。     

椭球计测定场强的精确计算

依据极化的各向异性,考查电场与场强计金属椭球感生电偶极矩间的力矩,建立椭球在待测电场中的非线性振动方程,计算与振幅有关的振动周期,得出用金属椭球场强计测量电场强度的精确计算公式。分析振幅参数对实验计算的影响,给出确定振幅的实验方法。并同按线性振动处理的计算结果进行对比,反映考虑非线性振动因素对计算精度的提升作用。     

电场作用下单气泡行为的可视化

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像机研究绝热条件下注入到静止变压器油中的氮气泡在电场作用下的行为,获得了在不同电场作用下气泡形态成长的实验图像,并分析了电场作用下气泡的长径比、脱离体积和脱离周期随电场的变化关系。实验研究表明:随着电场强度的增大,气泡的长径比变大,脱离体积变小,脱离周期变短。电场中气泡行为的改变主要取决于电场强度和电极距离。外电场作用促进了注入气泡从小孔的脱离。     

特高压直流输电线路合成电场的天气影响因素及预测模型

特高压直流输电线路电离周围空气产生的离子和线路电场叠加形成合成电场,并在环境因素的作用下使得地面的合成场强发生变化。研究了天气因素对地面合成场强的影响,并提出了基于天气因素的电场预测模型。利用高压直流电场测量装置测量地面合成电场值及环境监测系统所测的天气参数,分析了风速、湿度、气压、温度、PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0与场强的相关性。利用基于树形结构Parzen估计器(tree-structured Parzen estimator, TPE)优化的CatBoost建立地面场强在天气因素下的预测模型,并基于所测数据进行模型的训练和预测。结果表明：天气因素对场强的影响权重由高到低为湿度、风速、气压、温度、PM_1.0、PM_2.5、PM₁₀。通过特征排序选取前5个特征和所有特征预测所得到的均方根误差分别为0.83 kV/m和0.85 kV/m,实现了相对准确的预测。研究结果可为特高压直流输电工程环境评估提供有用的合成电场分析方法。     

矿热炉塌料过程中烟尘扩散的数值模拟

以铁合金生产车间为研究对象,利用Fluent软件对车间内矿热炉生产过程中塌料事故的烟尘扩散规律进行非稳态的数值模拟.对连续相和离散相,分别采用标准k～ε模型和DPM模型,分析不同风速和风向的烟尘扩散规律.研究结果表明:当风速在2 m/s以下时,南风能更有效地排除烟尘,并且风速越大,清洁作用越明显;当塌料事故结束时,不论何种风速或风向,车间内烟尘污染面积达到最大;在300 s且无风时最大烟尘质量浓度是风速为4 m/s时的36.6倍;车间内的死角是烟尘最难排出的地方,北风风速为0.2 m/s的最大停留时间长达4 800 s.     

四针状纳米氧化锌的制备及其场致发射特性的研究

对利用高温气相氧化法制备四针状纳米氧化锌进行了研究,实验表明：制备炉的温度对样品的性能影响较大,温度低于800℃,短时间内得不到明显的反应产物,温度高于1 000℃,白雾状产物也有所下降,最佳反应温度约为900℃。样品具有优良的场发射特性,开启电场仅为1.6 V/μm。获得1.0 mA/cm^2的电流密度也只需要4.5 V/μm的电场。     

基于光敏玻璃的垂直互连通孔仿真与电镀工艺研究

本文对玻璃通孔与硅通孔垂直互连结构进行了电磁场仿真,并对比了两者的高频传输特性,结果显示在20GHz处,玻璃通孔与硅通孔的插入损耗分别为-0.024dB和-1.62dB,玻璃通孔的高频传输性能明显优于硅通孔.基于光敏玻璃衬底,采用高刻蚀速率的湿法腐蚀方法,获得了深宽比为7:1的玻璃通孔,孔阵列均匀性良好,侧壁粗糙度小于1μm.对不同电流密度下的玻璃通孔填充工艺进行了仿真分析,结果显示在小电流密度下,开口处的电流密度拥挤效应改善明显,铜层生长速度更为均匀,但沉积速度较慢.基于仿真结果,进行了电流密度为1ASD下的通孔填充实验研究,结果显示填充效果良好,120μm的TGV中铜层生长均匀,70μm的TGV中的缝隙较小.      

电法测井的快速整体反演及其应用

为了提高电法测井反演的速度，提出了一种快速计算雅可比矩阵的方法，即只考虑每个待反演参数的微小改变对其所在层及其邻层视电阻率有影响，而对其他层的视电阻率没有影响，从而节约了大量计算雅可比矩阵的时间，其反演的时间与待反演的参数个数基本上呈线性关系。在计算精度基本不受影响的情况下，使得应用阻尼最小二乘方法反演侵入半径和原状地层真电阻率的速度提高了至少一个数量级。人工模型和实际资料的处理结果表明，该方法能有效地消除环境因素的影响，恢复地层的实际电阻率。同时也证实了阵列感应测井数据具有探测深度大、分辨率高的特点，在层不太薄（层厚超过1m）、侵入不太深（侵入半径不超过0．25m）时，深探测数据能较准确地反映地层真电阻率。     

电磁力驱动载流金属熔体内速度的差分计算

针对电磁场对熔融流体的作用特性,采用差分方法和人工可压缩法,研究了电磁场对熔融流体速度的控制作用.结果表明:得到了一个控制液流流动的最佳时间段.在此时间段内载流熔液受交流磁场作用时熔体有很好的稳定状态,抑制液流流动的效果最佳,而加稳恒磁场和无磁场作用则无此特性.另外,电磁场可以很好地控制熔融流体的流动性,可以对载流熔体流动起促进或抑制作用,选择的金属物理属性、电磁参数、时间历程等因素都会对熔体的流动速度产生影响.该成果可用在电磁冶金工业中施加电磁场以控制金属熔体流速的目的,具有一定的指导意义和参考价值.