摘 要

纳米通道最开始是几位美国的科学家研究提出的，在上世纪末两位美国科学家Deamer和Branton两人在进行研究时发现了一种微型通道，是指由七聚体的溶血素（）在双脂层膜上形成的直径在1.52.6nm左右的跨膜通道。如今在医疗和材料等方面纳米通道内的离子输运现象的研究越来越被重视。因此，纳米通道电驱动多离子输运的模拟仿真具有一定的理论意义和工作和生活中的利用价值。

本文利用OpenFOAM和RheoTool软件选用Oldroyd-B粘弹性流体本构模型对纳米通道内电驱动多离子的输运行为特性进行了数值模拟，经过模拟仿真我们分析了纳米通道内离子输运的行为，得出了纳米直通道内离子输运的速度、电流和电导率的分布规律。根据模拟仿真得出的数据和图形可以得出结论：在改变数和电势差之后模型通道内的多离子输运的速度、电流和电导率发生了变化，且随着数和电势差的增加，模型通道内多离子输运的速度、电流和电导率也相应增加。

关键词：纳米通道；电驱动；数值模拟；离子输运

Abstract

The nanochannel was first proposed by several American scientists, two American scientists Deamer and Branton discovered a microchannel in their study at the end of the last century, transmembrane channels of about 1.52.6nm in diameter formed by hemolysin () of heptamer on bilayer membranes. Nowadays, more and more attention has been paid to the study of ion transport in nanochannels in medical and material fields. Therefore, the simulation of nano-channel electrically driven multi-ion transport has certain theoretical significance and utilization value in work and life.

This article presents a numerical simulation of the transport behavior of electrically driven multi-ions in nanochannels using Oldroyd-B viscoelastic fluid constitutive model using OpenFOAM and RheoTool software, the behavior of ion transport in nanochannels is analyzed by simulation, the distribution of the velocity, current and conductivity of ion transport in the nanochannel is obtained. The conclusions can be drawn from the simulation data and graphics: after changing the number of and potential difference, the velocity, current and conductivity of the multi-ion transport in the model channel change, and with the increase of number and potential difference, the velocity, current and conductivity of the multi-ion transport within the model channel also increase accordingly.

Keywords: nanochannel; electric drive; numerical simulation; ion transport

目录

第一章绪论1

1.1 研究背景和意义1

1.2 纳米通道内驱动的介绍1

1.2.1 纳米通道的介绍1

1.2.2纳米通道驱动中涉及的流体力学问题2

1.2.3 纳米通道内各种驱动的方式2

1.2.4 纳米通道内电驱动的特点3

1.3 纳米通道内电驱动的应用4

1.4 纳米通道内电驱动国内外研究现状4

1.5 本文研究目的及意义6

1.6 本章小结6

第2章 纳米通道多离子输运特性数值模拟数学模型7

2.1 OpenFOAM中的RheoTool工具7

2.2 模拟仿真选取的粘弹性流体的本构模型7

2.3 基本流动控制方程7

2.3.1 质量守恒方程8

2.3.2 动量守恒方程8

2.4 电驱动流动模型8

2.5 本章小结10

第3章 仿真模型和方案设计12

3.1 几何模型12

3.2 边界条件13

3.3 参数设置和求解器设置14

3.4 模拟方案14

3.5 本章小结15

第4章 模拟仿真研究16

4.1 模型内的速度分布图 16

4.2 改变模型内的数对通道内多离子电驱动的影响 17

4.2.1 不同的数下离子在模型内沿y轴的速度大小17

4.2.2 不同的数下模型通道内的电流和电导率的大小18

4.3 改变模型内施加的电势差对通道内多离子电驱动的影响19

4.3.1 施加不同的电势差离子在模型内沿y轴的速度大小20

4.3.2施加不同的电势差模型通道内的电流和电导率的大小20

4.4 本章小结 22

第5章 结论及展望23

5.1 结论23

5.2 展望23

参考文献24

致谢25

1. 绪论
   1. 研究背景和意义

如今，随着社会的进步加快、工业的发展迅速和人类的需求增大，纳米技术和微流体控制技术逐渐出现在人们的眼前。纳米技术作为一种新型技术被广泛应用在工业和人类日常生活中，特别是纳米技术中的纳米通道，受生物纳米通道的启发，人们研究纳米通道并加以利用。

因为能够影响改变微流体流动的因素很多，所以纳米通道里的微流体流动和宏观流体的流动有很大的不同。而微流体的驱动方式有很多，例如电驱动流动和压力驱动流动，这也导致了微流体流动十分的复杂和多样。在工业方面和医疗方面根据需求所期望的各种微流体的驱动和控制也不尽相同，同时微流体流动的研究，也推动着纳米科学技术进步，提高了人们的生活水平质量。

纳米通道自从上世纪末被提出，就一直备受各界关注。微纳米通道里的多离子输运现象也更是医疗领域、工业领域和材料领域的研究重点。由于纳米通道是微观领域，一些适用于宏观领域流动的理论并不适用于纳米通道内的流动，所以分析讨论以及模拟仿真纳米通道内的流动规律有着很重要的意义。近几年生物芯片技术的提高更迫切的要求实现微纳米通道内流体精确的驱动的控制。如今许多行业都需要微纳米通道内流体流动的行为规律。因此，开展纳米通道多离子输运特性的数值模拟的研究工作有很大的必要。