《基於流動不穩定性控制的微納器件操縱機理與算法研究》是依託浙江大學，由楊健擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於流動不穩定性控制的微納器件操縱機理與算法研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：楊健
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
基於微納尺度流動不穩定性控制的操縱方法在新型微納器件開發中獨具潛質和價值。如何揭示其多物理耦合操縱機理，獲得更加精準的控制方法是關鍵科學問題。本項目擬基於微觀多相流體動力學理論，建立微納通道內相界面流動不穩定性控制的跨尺度多物理耦合理論模型；改進前期建成的基於分子動力學（MD）、直接蒙特卡洛模擬（DSMC）和光滑粒子動力學（SPH）耦合的跨尺度算法，套用於求解多物理耦合的控制方程組，獲得跨尺度作動下的相界面不穩定條件和熱質傳遞特性等，建立基於流動不穩定控制的微滴操縱模擬算法；構建微滴特性分析測試台，進行流動不穩定性作用下微滴生成預測與控制實驗，用實驗結果來論證與修正理論模型及算法，揭示流動不穩定性作用下相界面破碎、微滴生成和輸運等的作動機制；開發基於微滴操縱的新型微納反應器件。成果可套用於化學分析、藥物提取、新能源利用、環境監測以及生物合成等。
結題摘要
基於微納尺度流動不穩定性控制的操縱方法在新型微納器件開發和微納材料製備中獨具潛質和價值。如何揭示其多物理耦合操縱機理，獲得更加精準的預測與控制方法是其關鍵科學問題。本項目基於微觀多相流體動力學理論，建立了微納通道內相界面流動不穩定性控制的跨尺度多物理耦合理論模型；改進了基於Level-set的跨尺度模擬方法來有效求解多物理場耦合控制方程，獲得了跨尺度作動下的相界面不穩定條件、熱質傳遞和靜電激勵等特性；建立了基於Plateau-Rayleigh 不穩定性的微滴生成與模擬方法，並將其套用於微流道中微液滴的產生、預測與控制;建立了基於電射流不穩定性的微納顆粒/纖維的生成與模擬方法,並將其套用於超疏水材料的製備;建立了基於反饋系統控制（Feedback System Control）的微納顆粒/纖維製備參數最佳化控制方法，並將其套用於高性能溢油吸附電紡膜和納米碘化銀顆粒製備及性能最佳化；搭建了微納流體不穩定性製備靜電紡試驗台，設計了多種流動不穩定性作用下微滴、微納顆粒和纖維等的生成預測與控制實驗，構建了流動、熱質、表面改性和電場等耦合控制及測試方法，實現了微流體表觀的軟化學改性以及微納顆粒/纖維的複合製備；用實驗結果來論證與修正理論模型及算法，揭示了流動不穩定性作用下相界面破碎、微滴生成和輸運等的作動機制；最終研製成功一套基於流動不穩定性和FSC的微滴/紡絲複合預測與操縱的跨尺度多物理耦合計算方法，並套用於微滴/泡的預測與行為控制、微納光纖拉制和高壓靜電紡製備超疏水及油水分離納米材料等。成果可套用於化學分析、藥物提取、新能源利用、環境監測與保護以及生物合成等的微納器件開發和微納材料製備。共發表了21 篇高質量的關於流動不穩定作用下跨尺度多物理耦合算法、微納器件開發和納米合成及套用等方面的學術論文，其中SCI 收錄15篇， EI 收錄論文4 篇。核心研究成果獲授發明專利1項，實用新型專利1項；相關成果獲19屆中國發明專利獎。指導1名博士後出站，其已完成了多尺度算法內容的國家自然科學青年基金1項（已結題），並晉升為副教授。指導完成研究生學位論文3篇。
