即时检测试纸内渗流理论及流动控制研究进展

纸是由纤维素层状无序排布构成的多孔介质。近年来,检测试纸和纸基微流控芯片在疾病诊断、水污染和食品安全的快速检测中的应用受到人们广泛关注。纸内的渗流规律对于解释检测结果和提高检测的准确度和灵敏度都具有重要意义。本文概述了纸内渗流理论的研究进展,包括宏观毛细渗流及孔隙结构内微观渗流,并介绍了纸内流动的控制方法及其对检测试纸和纸基微流控芯片检测效果的影响。

主动冷却点阵夹层防热结构温度响应计算模型

针对点阵夹层结构主动热防护问题,建立了夹层结构面板和芯体导热与冷却剂对流耦合的非稳态传热理论模型,利用有限体积法离散控制方程并在MATLAB中进行了迭代求解.模型首次考虑了面板与夹芯杆之间的收缩热阻,并利用分离变量法得到了收缩热阻的近似解析解.基于单胞模型和周期性边界条件,模拟得到了模型所需的表面对流传热系数h_(b)和h_(fin).最后,选取多单胞计算工况进行数值模拟和理论模型对比,并讨论了收缩热阻对模型预测精度的影响.结果表明:理论模型能够准确预测夹层结构及内部流体的温度变化,理论与仿真之间的最大误差不超过1%;随着外加热流密度不断增大,忽略收缩热阻使得计算结果造成的误差不断增大;与数值模拟相比,理论模型可显著地减少计算时间并节省计算资源,尤其适用于非均匀、非稳态复杂热载荷下点阵夹层结构的温度响应计算.

泡沫金属电磁感应传热机理研究

研究了电磁感应加热下泡沫金属填充液体的磁–热能量转换及瞬态升/降温传热过程,搭建了泡沫金属填充液体在感应加热与液体冷却下的联合控温实验系统,采用“频域–瞬态”和“松耦合”方法求解电磁–传热耦合数值模型,揭示了泡沫金属填充液体的电磁场与热源分布规律、温度响应特性、温度均匀性以及泡沫金属结构和材质等参数的影响规律。结果表明,泡沫金属填充液体的电磁感应传热特性与泡沫金属的结构和材质密切相关。

铜泡沫冲击射流换热及流动可视化研究

本文实验研究了圆管冲击射流下通孔金属泡沫的流动换热特性,测量了10 PPI和30 PPI铜泡沫的平均努塞尔数Nu_(avg),同时采用烟线法得到冲击射流下铜泡沫的流场可视化图像。结果表明:在较高雷诺数下,存在最优冲击距离使铜泡沫的换热性能最优;在低雷诺数下,通孔铜泡沫的换热性能受冲击距离的影响较小。孔密度为10 PPI的铜泡沫较30 PPI铜泡沫的换热性能提高了约30%。通过流动可视化解释了铜泡沫的换热性能随冲击距离和PPI变化现象。

多孔检测试纸渗透率实验及单胞数值模型

本文对侧流试纸NC膜(硝酸纤维素膜)分别进行水平和竖直工况下的毛细流动实验,通过数据拟合得到渗透率。拍摄了NC膜的SEM图片,统计出其粒径和孔径的分布。基于该微观结构图像,提出一套全新的用来预测NC膜渗透率的颗粒立方单胞模型。基于颗粒立方单胞模型,推导了孔隙率、孔径和粒径三者间的理论关系,并得到基于称重法所测孔隙率的验证。最后,采用该模型对渗透率进行数值模拟,并与实验结果进行对比。结果表明,颗粒立方单胞模型能够较好地刻画NC膜的结构和渗流特性。

侧流试纸孔径优化数值模型

纸基微流控芯片由于成本低、比表面积大以及良好的生物兼容性等优势在即时检测领域得到快速发展,但是纸基孔隙结构对于检测性能的影响规律和机制尚不清晰。本文针对侧流试纸这一典型纸基微流控芯片,通过将硝酸纤维素膜多孔结构简化为毛细平板通道,首次建立了耦合毛细流动和反应输运过程的数值模型,研究了样品液滴流速以及硝酸纤维素膜比表面积对检测信号生成的竞争机制。研究结果表明,样品液滴流速的增加以及更大的膜比表面积均可增强检测信号,且硝酸纤维素膜孔径存在最优值以提高检测灵敏度,为硝酸纤维素膜材料的微观设计优化指明了方向。