微纳米流体力学  080103M05006H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:姚朝晖
授课时间: 星期二,第9、10 节
授课地点: 教一楼405
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20
课程编号: 080103M05006H 课时: 40 学分: 2.00
课程属性: 专业普及课 主讲教师:姚朝晖 助教:
英文名称: Microfluidics and Nanofluidics: Fundamentals and Applications 召集人:

教学目的、要求

微纳米流体力学是近年来迅速发展起来的新兴学科。本课程将讲述微纳米尺度下的流动物理现象,主要内容包括微纳流体力学的力学原理、流体驱动和控制手段、微纳尺度下的传热传质现象、微纳尺度数值模拟方法、实验技术及微加工方法等,并结合芯片实验室(Lab-on-a-Chip)技术介绍微纳流控在生物和化学等领域中的具体应用。
通过本课程的学习,学生将掌握微纳米流体力学的基本概念和研究方法,对流体力学如何应用于交叉学科有具体认识,并了解微纳流控研究与应用的最新发展。

预修课程

普通物理,高等数学

教 材

1. Brian Kirby. Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices
Cambridge University 2010.
2. Nam-Trung Nguyen, Steven Werely. Fundamentals and Applications of Microfluidics, Artech 2006.3.
3. 林炳承. 微纳流控芯片实验室,科学出版社, 2016.6. 
4. 李战华等. 微流控芯片中的流体流动,科学出版社, 2012.

主要内容

第一章 绪论(2学时)
1.1微纳米流体力学的发展和历史(1学时)
1.2微纳米流体力学的特点(0.5学时)
1.3课程内容和结构(0.5学时)
第二章 微纳米尺度流动现象 (4学时,重点)
2.1 简介(0.5学时)
2.2 各种作用力和影响因素(重点在与宏观流动不同的作用力和影响因素, 1.5学时)
2.3 控制方程和无量纲参数(考虑各种驱动力形式及Kn,Ca等无量纲参数,1.0学时)
2.4 界面现象(1学时)(表面张力、毛细现象的概念及在微器件中的应用)
第三章 微尺度下的电动力学 (4学时,重点)
3.1 简介(0.5学时)
3.2 双电层(0.5学时)
3.3 电渗现象(1学时)(电渗流的概念、电渗驱动等)
3.4 电泳现象(0.5学时)
3.5 介电泳现象(1.5学时)(介电泳概念、介电泳力和力矩、介电泳应用)
第四章 微系统中的传质传热 (4学时)
4.1 简介(0.5学时)
4.2 扩散和输运(1.5学时)(层流扩散的特点及各种增混方式)
4.3 传热现象(1学时)
4.4 对流-- 扩散方程及其特性(1学时)
第五章 微系统中的多相流 (6学时,难点)
5.1 简介(0.5学时)
5.2 微颗粒的分离与排序(1.5学时)
5.3 微尺度惯性效应(1学时)
5.4 微尺度黏弹性效应(1学时)
5.5 液滴微流控(2学时)
第六章 微纳米尺度流动的数值模拟方法 (8学时,重点)
6.1 简介(0.5学时)
6.2 微纳米通道中气体流动的常用模拟方法(3.5学时)(DSMC和 IP等方法)
6.3 微纳米通道中液体流动的常用模拟方法(4学时)(VOF方法、LBGK和MD等方法)
第七章 微纳尺度实验方法及微加工技术 (4学时)
7.1 简介(0.5学时)
7.2 微纳尺度实验方法(1.5学时)(Micro-PIV及微管道中的压力与流量测量、温度测量和纳尺度测量等)
7.3 微加工技术现状与方法(2学时)
第八章 若干微纳流动器件简介 (2学时)
8.1微泵的设计理念(0.5学时)
8.2微阀的设计理念(0.5学时)
8.3微喷、微推进器的设计理念(0.5学时)
8.4微混合器和微分离器的设计理念(0.5学时)
第九章基于微纳米流控的芯片实验室 (前沿介绍,2学时)
9.1 简介(0.5学时)
9.2 微流控细菌分析芯片(0.5学时)
9.3 基于纳孔技术的DNA测序芯片(0.5学时)
9.4 器官芯片 (0.5学时)(人工肺、人工心脏、人工肾和人工血管等)
大作业展示 4学时

参考文献

1. Henrik Bruus. Theoretical Microfluidics, Oxford University Press, 2008. 
2. Dongqing Li. Encyclopedi of Microfluidics and Nanofluidics, Springer, 2008.
3. Patrick Tabling. Introduction to Microfluidics. Oxford University Press, 2005.
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