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出版者:CRC Press

作者:Zohar, Yitshak

出品人:

页数:320

译者:

出版时间:2010-7

价格:$ 180.74

装帧:HRD

isbn号码:9780849319549

丛书系列:

图书标签:

• 流体 mechanics
• 微尺度流体
• 微流体
• 实验流体 mechanics
• 微型设备
• 生物流体
• 传热
• 流体动力学
• 微通道
• 可视化实验

好的，这是一份关于一本名为《微尺度流体力学》的书籍的详细简介，内容完全围绕该书所涵盖的领域展开，不涉及任何其他无关信息。 --- 书籍简介：《微尺度流体力学》 《微尺度流体力学》 深入探讨了在微米乃至纳米尺度下，流体行为所表现出的与宏观世界截然不同的物理现象与规律。本书旨在为读者提供一个全面且深入的理解框架，涵盖从基本理论推导到前沿实验技术和实际应用的各个层面，是流体力学、生物物理学、微纳工程以及相关交叉学科研究人员与高年级学生的必备参考书。 第一部分：微尺度流动的基本理论与尺度效应 本书的开篇聚焦于微尺度流动的独特物理背景。在宏观尺度下，牛顿流体的运动通常由纳维尔-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程主导，惯性力与粘性力在复杂的流动中起着关键作用。然而，当流动特征尺寸减小到微米量级时，情况发生了根本性的转变。 1. 雷诺数与惯性效应的消逝： 书中详细分析了雷诺数（$Re$）在微尺度下的急剧下降。在极低的雷诺数（$Re ll 1$）条件下，流动的主要特征由粘性力决定，惯性项可以被忽略，从而简化为斯托克斯流或蠕动流（Creeping Flow）。本书不仅推导了简化后的斯托克斯方程，还探讨了其解析解和数值解方法，重点讲解了如何利用这种简化来分析微通道内的稳定流动，如平行板间、圆柱或球体附近的低速流动。 2. 傅里叶数与时间尺度分离： 对于瞬态流动，本书阐述了傅里叶数（$Fo$）对流动特性的影响。在微观系统中，扩散过程往往比对流过程发生得更快，导致时间尺度分离。内容深入分析了如何利用这种分离来简化瞬态问题的处理，例如，如何通过准稳态近似来处理混合或传热问题。 3. 表面效应的主导地位： 这是微尺度流体力学区别于宏观流体力的核心特征之一。本书投入大量篇幅讨论了表面张力、润湿性、以及由界面引起的电场效应。 毛细现象与接触角： 详细介绍了杨氏方程（Young's Equation）及其在微通道内液体铺展和液滴形成中的应用。重点阐述了表面能的最小化原理如何驱动微观尺度的流体运动。 Marangoni效应： 探讨了温度梯度或浓度梯度在流体界面处引起的表面张力梯度驱动的流动，这在微反应器和芯片实验室中的传质与混合过程中至关重要。 电润湿与电毛细作用： 深入分析了电场对流体界面形状的调控，包括电润湿效应（EWOD）在微泵和阀门设计中的原理与实现。 第二部分：稀薄气体流动与分子效应 当特征长度尺度接近或小于气体分子平均自由程 ($lambda$) 时，气体流动的连续介质假设失效。本书系统地介绍了处理稀薄气体流动的理论工具。 1. 斯 Knudsen 数 ($ ext{Kn}$) 的物理意义： 本书明确定义了 $ ext{Kn}$ 数，并将其作为区分不同流动 regimes 的关键参数。内容详尽划分了四个主要区域：连续流 ($ ext{Kn} < 0.01$)、过渡流 ($0.01 < ext{Kn} < 0.1$)、滑动流 ($0.1 < ext{Kn} < 10$) 和自由分子流 ($ ext{Kn} > 10$)。 2. 边界条件与滑移流： 在过渡流和滑动流区域，经典的无滑移边界条件不再适用。本书详细讨论了基于分子撞击模型的速度滑移（Velocity Slip）和温度跳跃（Temperature Jump）边界条件的推导与应用，特别是对粘性滑移系数的精确计算方法。 3. 玻尔兹曼方程与数值模拟： 对于更复杂的稀薄气体流动，本书介绍了玻尔兹曼方程的背景及其在工程中的挑战。重点阐述了直接模拟蒙特卡洛法（Direct Simulation Monte Carlo, DSMC）的原理、算法实现及在微流控气体输运研究中的应用，包括气体轴承、真空技术和微推进器中的应用实例。 第三部分：微尺度下的输运现象与多相流 在微观尺度上，传质、传热和多相流行为呈现出独特的动力学特征。 1. 扩散主导的传质： 本书强调了在低 $ ext{Re}$ 流动中，对流效应的减弱使得扩散过程成为质量传递的主要机制。内容包括Fick定律在复杂几何形状（如多孔介质或狭窄通道）中的解析解法，如格林函数法和分离变量法。同时，也涵盖了电泳（Electrophoresis）和介电泳（Dielectrophoresis）等场驱动的输运现象在微流控分离中的应用。 2. 微尺度下的热流体动力学： 热边界层在微通道中变得非常显著。书中分析了轴向热扩散和径向热扩散的相对重要性，并探讨了局部热效应（如焦耳热）对流体粘度和相态的影响。特别关注了微通道内液体过热和核化现象的临界条件分析。 3. 微尺度多相流： 多相流在微流控芯片中是实现高精度混合、乳液生成和液滴制造的基础。 液滴生成与调控： 详细分析了T型接头、流聚焦（Flow Focusing）等结构中液滴的形成机制，重点讲解了表面张力、剪切应力和粘性力之间的平衡，特别是Capillary Number ($Ca$) 的作用。 微乳液与液滴动力学： 讨论了液滴在微通道内的迁移、合并、破碎过程，以及不同流型（如栓流、环形流）在狭窄几何中的转变条件。 第四部分：特殊流体与生物流体 本书的后半部分扩展到具有复杂本构关系或在生物系统中出现的流体行为。 1. 非牛顿流体在微流控中的表现： 许多生物流体（如血液、细胞悬浮液）和聚合物溶液表现出显著的非牛顿特性。书中分析了剪切稀化、剪切增稠、粘弹性等效应如何影响微通道内的压力降、混合效率和粒子分散性。例如，探讨了血液在微血管中的红细胞沉积和血浆鞘流现象。 2. 生物流体动力学基础： 本书提供了流体力学在生物学中的基础应用视角。内容包括细胞在剪切流场中的变形、黏附和迁移机制。重点讨论了红细胞在微血管中的输运模型，以及如何利用流体力学工具来研究细胞膜的力学性能。 3. 反应与流动耦合： 在微反应器中，流体输运与化学反应动力学紧密耦合。本书介绍了如何利用计算流体力学（CFD）方法，将反应速率方程与N-S或简化方程相结合，以优化微反应器的性能，实现高效的传质和精确的温度控制。 第五部分：实验技术与数值方法 为了验证理论模型并解决复杂的工程问题，本书最后概述了微尺度流体力学的关键实验和计算工具。 1. 微流控器件制造与基础： 简要介绍了软光刻（Soft Lithography）、LIGA、3D打印等主流的微纳器件制造技术，以及关键的表面处理方法，以实现对流体界面性质的精确控制。 2. 微尺度流动测量技术： 重点介绍了非侵入式测量技术，如粒子图像测速（PIV）、粒子追踪测速（PTV）在微通道内的应用，以及如何校准和解释这些技术在低信号背景下的数据。此外，还涵盖了利用荧光标记和拉曼光谱技术进行微尺度传质和反应监测的方法。 3. 计算流体力学（CFD）的高级应用： 本书讨论了适用于微尺度问题的特定CFD建模策略，包括边界元法（BEM）在处理低 $ ext{Re}$ 问题的优势，以及有限元法（FEM）在处理复杂几何和流固耦合问题时的实施细节。特别强调了如何精确地将稀薄气体效应和表面张力项纳入数值求解器。 --- 《微尺度流体力学》 不仅是一本理论手册，更是一座连接基础物理学与前沿微纳技术应用的桥梁。通过对尺度效应、表面物理和分子动力学的系统梳理，本书旨在培养读者解决微米级工程挑战的直觉和能力。

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