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.     

椭球粒子受光诱导介电泳的数值模型

基于分子动力学提出了一种光诱导介电泳控制椭球粒子运动的数值模型.研究了光电芯片中椭球粒子承受的光诱导介电泳和斯托克斯阻力,采用Runge-Kutta方法计算不同长宽比粒子的自转速度.采用COM SOL有限元计算电场,借助Velocity-Verlet算法模拟了粒子受介电泳的运动轨迹.仿真结果表明,粒子长宽比越大,转速越快;在28,30μm位置处的椭球粒子,受正介电泳力向光斑运动,且沿着电场强度梯度方向行进,最高速度可达到312μm/s.以上仿真的转动速度和运动轨迹都与实验保持了较好的一致性.     

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.     

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.     

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确性,并通过光诱导介电泳技术实现对粒子的高效无损的分离操作。     

双人体耦合心电场被动式人体静电探测器中的电旋转效应分析

 静电探测器是通过检测目标的静电场而获得目标信息的探测器,利用静电场原理对目标进行探测的人体探测器是人体探测技术的重要应用。本文重点讨论利用介电泳技术对双人体耦合心电场的探测问题,并对电旋转检测效应进行分析与仿真。首先阐述了电旋转效应原理;其次分析了双人体耦合心电场特性及该电场中弧形四项检测电极的电场,并计算与之对应的介电泳力与转矩;最后利用有限元方法对检测电场及介电泳力进行建模与仿真。仿真结果清晰展示了3种特殊角度下的电旋转效应,与理论分析相一致。     

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。     

气溶胶粒子的吸收对散射光强的影响

研究了气溶胶粒子的球形和旋转椭球两种模型的吸收效应对散射光强分布的影响. 文中使用Mie散射理论和T矩阵两种方法,分别得到了球形粒子和旋转椭球粒子对正入射的偏振光和非偏振光散射的散射光强随散射角的变化关系,同时,给出了气溶胶粒子的吸收效应对后向散射光强影响的仿真结果. 根据计算出的结果模拟得到了后向散射光强与球形气溶胶粒子的吸收效应成指数关系,而与旋转椭球气溶胶粒子吸收效应成非线性变化关系.      

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.     

面向SWCNT-FET制造的介电泳装配技术

针对单壁碳纳米管(SWCNT)场效应晶体管(FET)制造过程中面临的SWCNT装配问题,采用介电泳技术实现SWCNT在微电极上的有效装配.对SWCNT在非均匀电场中所受到的介电泳力进行了相关理论分析,利用COMSOL多物理场耦合软件模拟了介电泳驱动电场,并做了大量装配实验,获得了高效装配SWCNT所需的实验参数.AFM扫描观测及电特性测试验证了这种方法的有效性,同时也为其他一维纳米材料纳电子器件的装配制造提供了借鉴.     

溅射离子泵抽气单元放电及离子输运仿真

基于有限元法,对溅射离子泵抽气单元内气体放电及离子输运过程进行了研究.采用商业软件COMSOL Multiphysics将等离子体模块、磁场模块、带电粒子追踪模块进行耦合,计算得到阳极筒内电子密度的分布规律.研究了气体压强、阳极电压、磁场强度等参数对电子密度的影响,追踪了离子在不同压强下的运动轨迹,得到了离子对阴极板的入射角度和冲击能量.将仿真结果代入到理论抽速计算公式中,所得结果与实验数据进行对比,两者具有很好的一致性,验证了仿真模型的准确性.对离子泵结构设计和性能优化提供了一种适用方法.     

不同环境下光伏组件自然积灰特性模拟

研究光伏组件自然积灰特性,可为光伏组件清灰提供理论指导。以本校光伏组件系统为研究对象,利用COMSOL软件对其积灰物理模型进行了数值模拟,其模拟与试验结果对比表明：二者变化趋势一致、数量级相同且相对误差在允许范围内,验证了模拟方法的合理性。籍此,模拟分析了湿度、污秽浓度、颗粒粒径、风速等因素对光伏组件积灰特性的影响。结果表明：湿度变化对光伏组件表面积灰影响较小;在其它条件相同时,光伏组件表面积灰量与污秽浓度呈正相关变化;粒径对污秽颗粒沉积的影响大于风速对污秽颗粒沉积的影响;小风速时加剧光伏组件表面积灰,大风速时则有一定的清洁作用。     

新型直流输电系统改善谐波不稳定的机理分析

将三相不对称的交流电源用正序和负序电压表示,用傅里叶分析方法计算了正序和负序电压传递到直流侧的谐波电压的规律,将这一理论应用到基于感应滤波的直流输电系统,计算在交流系统故障时,直流侧电压谐波的数学表达式,比较在同样的交流系统故障条件下,基于感应滤波的直流输电系统在抑制直流侧谐波幅值方面优于传统的直流输电系统,最后参考实验室基于感应滤波的直流输电系统模型,对输电系统在交流系统故障下的直流电压谐波进行了动模实验.结果表明,由于在感应滤波换流变压器的第三绕组接入2,11,13次LC滤波器,使直流电压中含量高的低次谐波大大减少,直流输电系统谐波不稳定得到一定的抑制。     

Dielectrophoretic assembly of carbon nanotubes and stability analysis

Nanoscale dimensions and remarkable properties of carbon nanotubes make them promising building blocks for nanoelectronics.One requirement is the need to manipulate single or multiple carbon nanotubes to bridge electronic conductors.In this paper,multi-walled carbon nanotubes with a variety of sizes are assembled onto electrodes using alternative current electric felds by dielectrophoresis.The effect of the dielectrophoretic parameters and the nanotube size as well as the length uniformity on the assembly is experimentally investigated.Current–voltage characteristics of assembled carbon nanotubes are measured.The experimental results showed that both the dielectrophoretic parameters and length uniformity of carbon nanotubes have an infuence on the stability of assembly results.Choosing uniform carbon nanotubes with an appropriate length and suffcient stiffness,which are more controllable by dielectrophoresis,is necessary for an assembly of a small number of carbon nanotubes.     

棒-板间隙在交直流预电压作用下的冲击特性

为了分析实际运行中稳态预电压对电力设备绝缘的影响 ,研究了在标准气象条件下 ,棒 -板间隙的操作冲击特性和交直流预电压的关系。研究结果表明 :正直流预电晕能提高气体间隙中正的操作放电电压 ,而负直流预电晕却能降低间隙的正操作冲击放电电压 ,且电极的棒直径越小这种效应越明显。正直流预电晕能减弱正操作冲击下的电晕特性 ,阻碍了正流注和先导的形成与发展 ,而负直流预电晕却能激励正流注放电 ,从而造成强烈的先导放电。在交流预电压作用下 ,间隙的正操作放电电压比无预电压作用下的纯操作放电电压低     

磁性复合流体的深孔抛光工艺试验研究

针对深孔零件光整加工技术的难题,提出了基于针式抛光头的磁性复合流体（MCF）深孔抛光的加工方法。首先利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立不同的永磁铁磁场组合模型,根据仿真结果设计磁场分布均匀且强度较强的针式抛光头;再建立MCF深孔抛光的磁流场耦合模型,分析MCF的流动特性;以黄铜H62的深孔零件为加工对象,进行磁性复合流体的深孔抛光工艺试验研究。仿真结果与试验结果吻合,结果表明,当针式抛光头采用纵向单列磁芯结构,转速为800 r/min,抛光间隙为3 mm,羟基铁粉粒径为48 μm时,表面粗糙度为0.13 μm,材料去除率为0.025 mg/min,从而获得了最理想的MCF深孔抛光效果。