Theoretical Microfluidics (Oxford Master Series in Physics) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Oxford University Press, USA

作者:Henrik Bruus

出品人:

页数:368

译者:

出版时间:2007-11-17

价格:USD 49.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780199235094

丛书系列:

图书标签:

• Microfluidics
• Fluid Dynamics
• Theoretical Physics
• Biophysics
• Lab-on-a-Chip
• Surface Tension
• Capillary Flow
• Transport Phenomena
• Miniaturization
• Oxford Master Series

好的，以下是为您撰写的图书简介，内容基于“Theoretical Microfluidics (Oxford Master Series in Physics)”这本书的背景，但专注于其他相关主题，旨在提供一个详尽且自然的介绍，不提及原书或任何AI生成痕迹： --- 流体动力学前沿：从宏观到纳观的界面现象研究 本书旨在深入探讨在微米尺度及以下环境中，流体行为所展现出的独特物理现象及其背后的数学描述。我们聚焦于一个横跨物理学、化学工程与生物医学工程的交叉领域，分析当流体系统尺寸缩小到临界尺度时，惯性力、粘性力、表面张力以及电场力等各种物理效应如何重新洗牌，塑造出与宏观世界截然不同的动力学模式。 第一部分：基础理论与尺度效应的重构 本部分首先回顾了适用于描述流体运动的基本方程组——纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）——及其在不同物理尺度下的简化与修正。我们将详细阐述雷诺数（Reynolds number）和斯托克斯数（Stokestrain number）在微观尺度下的物理意义，并引入低雷诺数流（Creeping Flow）的理论框架。在这些条件下，惯性项的消失对对流和混合过程产生了根本性的影响，使得非线性动力学得以在更可控的线性框架内被解析求解。 随后，我们转向探讨界面现象的支配性作用。在微小通道中，流体与固体壁面、或不同流体相之间的相互作用不再是次要因素，而是决定系统行为的核心力量。表面张力、润湿性（Wettability）以及固液界面的能量学被系统地引入，我们分析了毛细现象（Capillarity）如何驱动流体的自发运动，并介绍了杨氏方程（Young's equation）在复杂几何结构中的应用。特别是，我们将深入研究电润湿效应（Electrowetting），探讨如何通过外部电场精确调控液滴的形状和迁移路径，这对于开发无泵驱动的微系统至关重要。 第二部分：多相流与复杂介质中的输运机制 在许多实际应用场景中，流体系统并非单一相态。本部分将重点分析在微尺度下，气液、液液或固液混合物所表现出的独特输运特性。 对于气液两相流，我们将考察在微重力或低雷诺数环境下气泡的成核、生长、迁移和聚并过程。由于通道壁的强约束作用，气泡的形状和流动场分布将呈现出显著的非均匀性。我们利用界面锁定模型（Interface Locking Models）来预测气泡在狭窄通道中的平均速度和压力降。 在液液分散体系中，液滴的产生与破碎是关键。本书介绍了剪切流场中液滴的变形理论，包括雷利-泰勒（Rayleigh-Taylor）不稳定性和斯夸尔-普拉特（Squarer-Plateau）失稳的微尺度版本。此外，我们还将分析流体力学聚焦（Hydrodynamic Focusing）的原理，这是一种利用流体鞘层精确控制微小颗粒或液滴流束位置的核心技术。 对于含有悬浮颗粒的流体，即颗粒悬浮液（Suspension Flow），我们讨论了颗粒对整体粘度和剪切速率的影响。重点分析了颗粒在非均匀流动中因电动力学（Electrokinetic）作用而产生的升力和迁移，例如梯弗耳效应（Triboelectric Effect）和电泳（Electrophoresis）。这些效应在微流控分离技术中扮演着不可替代的角色。 第三部分：微尺度系统中的主动控制与响应 本部分的焦点转向如何利用已建立的理论模型来设计和优化具有特定功能的微系统。 我们将详细阐述电驱动微泵的工作原理，重点分析离子迁移在电渗透流（Electroosmotic Flow, EOF）中的核心作用。EOF提供了一种无需移动机械部件即可产生稳定、层流（Plug Flow）的机制，极大地简化了微通道设计。我们将探讨不同表面电荷密度和缓冲液电导率对EOF速度的影响，并分析在实际器件中由欧姆热效应引起的非理想流动。 此外，我们深入探讨了微尺度混合问题。由于低雷诺数流的层流特性，宏观上的对流混合效率极低。因此，我们引入了增强混合的策略，包括设计特定的通道拓扑结构（如蛇形通道、螺旋通道）来诱导米氏（Mial）混合，以及利用时间依赖的周期性外场（如振荡电场或压力脉冲）来打破层流状态，实现高效的拉伸-折叠（Stretch-and-Fold）混合机制。 第四部分：高级主题与新兴应用 最后，本书触及了微流控研究的前沿领域。我们探讨了非牛顿流体在微通道中的复杂行为，如剪切稀化和剪切增稠对压力驱动流动的影响。此外，生物流体动力学的应用被纳入考量，特别是红细胞在狭窄血管中的变形和输运模型，以及如何利用流体剪切力对细胞进行分选和操纵（如流体剪切分选，Flow Shear Sorting）。 本书的目的是为高级研究生和研究人员提供一个坚实的理论基础，使他们能够从第一性原理出发，解析和设计下一代基于微尺度流体控制的科学仪器和工程系统。每一个章节都辅以详尽的数学推导和边界条件分析，强调从物理图像到精确模型的转化过程。

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我对这本书的评价是，它像一把精密的瑞士军刀，提供了解决微尺度流体难题所需的一切核心工具，但坦白讲，对于那些期待快速入门、希望直接套用现成公式解决问题的工程师来说，这本书的“密度”可能会让人感到有些吃力。它不是那种会为你“准备好”所有预处理步骤的指南，而是要求读者必须带着批判性的眼光去审视每一个假设和近似。举个例子，书中对浸润性理论的讨论，不仅仅停留在杨氏方程的层面，而是深入探讨了接触角迟滞现象及其影响因素，这需要读者对表面化学能和界面热力学有相当的理解。我记得有一章专门讲了微通道内的传热问题，它没有回避傅里叶定律在这些极小尺度下可能出现的局限性，而是引入了克努森数来评估气体分子效应的重要性，这种对物理边界条件严谨性的坚持，是很多入门书籍会略过的地方。这种深度带来的副作用是，初次阅读时，可能需要反复翻阅参考书目中的经典文献才能真正消化其中的精髓。这本书的语言风格是典型的英式学术写作，精确、客观，几乎没有多余的修饰词，每一个动词的选择都精准地表达了物理过程。对于我这种需要做理论建模工作的人来说，这种严谨性是宝贵的财富，它迫使我从最基础的物理原理出发进行推导，而不是满足于一个粗略的经验公式。总结来说，它更像是一本“内功心法”的秘籍，而不是一本“招式大全”。

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这本书的价值，我认为很大程度上体现在它对“非理想”效应的包容和探讨上。在宏观流体力学中，我们习惯于处理稳定、可预测的状态，但在微流控的世界里，噪声、随机性以及各种边界效应占据了主导地位。这本书的精妙之处在于，它并没有将这些视为干扰项，而是将其纳入了核心分析框架。例如，在讨论微泵和微阀的设计时，作者不仅仅关注了流体力学本身，还引入了电润湿效应、介电泳力等机理，并清晰地分析了这些电场力与流体粘性力、惯性力之间的相对大小。这种多物理场耦合的分析视角，是现代微纳技术研究的必然要求。我尤其欣赏书中关于统计涨落（Stochastic Fluctuations）在微通道内粒子输运中的作用这一部分，它用熵和信息论的视角来审视微尺度混合的效率，这种跨学科的思维方式极大地拓宽了我的研究思路。对于那些希望将微流控技术应用于单细胞分析或高通量筛选的学者而言，理解这些微小的随机扰动如何影响实验的重现性至关重要，而这本书提供了扎实的理论支撑。它的深度在于，它教你如何去“量化不确定性”，而不是简单地“忽略不确定性”。阅读过程中，我能明显感受到作者对实验观察到的反常现象的深刻洞察力，并试图用更精细的理论模型去解释它们，这种自洽的学术追求令人敬佩。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，那种硬壳的质感配合封面上简洁却又不失深度的几何图形，立刻就让人联想到它所承载的知识的严谨与厚重。我拿到手的时候，首先注意到的是纸张的触感，不是那种过于光滑的反光纸，而是带有微微纹理的，阅读起来眼睛不会太累。初翻阅目录时，那种清晰的层次感就让人对接下来的学习有了底气，从最基础的流体力学背景回顾，到毛细管力和表面张力的深入剖析，再到复杂的电动力学在微尺度下的应用，结构安排得井井有条，逻辑链条环环相扣，仿佛是为一名初入此领域但有扎实物理基础的研究生量身定制的路线图。作者在引言部分对“微流控”这一概念的界定和其在生物、化学、工程领域交叉融合的潜力进行了精彩的阐述，这不仅仅是教科书式的平铺直叙，更像是一位经验丰富的导师在为你描绘一个令人振奋的研究前景。尤其是章节之间的过渡，处理得极为巧妙，比如从牛顿流体过渡到非牛顿流体的讨论时，没有生硬地换个标题，而是通过对雷诺数和韦伯数在微尺度下行为变化的对比分析，自然而然地将读者的思维引向了更复杂的系统。我非常欣赏这种将理论深度与实际应用前景紧密结合的叙事方式，它让原本抽象的数学模型变得“活”了起来，让人迫不及待地想深入探究那些复杂的偏微分方程背后所代表的真实物理现象。这本书的排版也极为考究，公式的编号和引用清晰易懂，图表的质量也保持了牛津大学出版社一贯的高水准，即便是一些复杂的流线可视化图，细节也处理得非常到位，极大地辅助了对复杂三维流场的直观理解。

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从图书馆的角度来看，这本书的定位非常明确，它不是一本用于科普入门的读物，也不是一本专门针对某一特定应用（如生物芯片）的工具书，而是一部旨在为该领域下一代研究者奠定坚实理论基础的经典教材。它的内容覆盖面广，从基本的毛细管现象到复杂的多相流问题，几乎涵盖了微流控领域所有核心的理论分支。我个人最看重的是它对“微纳尺度效应”的系统性梳理。宏观流体行为由惯性主导，但在微米尺度下，粘性力与惯性力的比值（即极小的雷诺数）意味着流体行为遵循斯托克斯流动，这彻底改变了传统的分析范式。这本书非常到位地阐释了这种范式转变的数学基础和物理后果。它清晰地展示了为什么流体在微通道内是“懒惰的”，为什么混合过程主要依赖于扩散而非对流，以及电场和磁场等非接触式驱动力如何成为有效的替代方案。在我看来，任何一位希望在该领域做出理论突破或设计新型微纳器件的博士生，都应该将它作为核心参考书之一。它提供的理论深度足以支撑未来十年的研究方向，并且其跨越不同物理领域的综合性，确保了读者不会因为知识面的局限而错失重要的物理洞察。它代表了该领域理论研究的当前最高水准。

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这本书的阅读体验，如果用一个词来形容，那就是“挑战性与回报成正比”。我不是物理学本科毕业，转而从事微流控应用研究，所以一开始阅读这本专业的书籍时，确实感到有些吃力。虽然前几章对基础数学工具（如张量分析和边界积分方程法）有所回顾，但对于非专业人士来说，跳过这些回顾直接进入实际的流体动力学方程求解，仍然需要大量的额外学习。我发现自己不得不经常停下来，查阅有关非线性偏微分方程解法和数值方法的资料。然而，当我坚持下来，成功地用书中的理论框架来分析我自己的实验数据时，那种豁然开朗的感觉是无与伦比的。它没有提供可以直接运行的代码或即插即用的软件模块，这一点或许会被一些应用导向的用户视为缺点，但对我而言，恰恰是其最大的优点——它训练的是你的“物理直觉”和“建模能力”，而不是简单的操作技能。特别是关于液滴在复杂几何结构中破碎与聚并的章节，作者通过引入无量纲参数的相图分析，清晰地展示了哪些物理机制在特定操作条件下占据主导地位。这种抽象概括的能力，是从事前沿科学研究人员必须具备的核心素质，而这本书正是通过严谨的推导，将这些复杂的物理现象提炼成了清晰、可操作的理论模型。

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