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出版者:上海交通大學齣版社

作者:李業農

出品人:

頁數:272

译者:

出版時間:2006-8

價格:38.00元

裝幀:

isbn號碼:9787313012531

叢書系列:

圖書標籤:

• 機械製圖
• 工程製圖
• 機械工程
• 圖學
• CAD
• 繪圖
• 技術圖紙
• 機械設計
• 標準化
• 製圖規範

好的，這是一份為一本名為《機械製圖》的書所撰寫的，但不包含該書內容的圖書簡介。這份簡介將聚焦於其他技術領域，力求詳盡且自然流暢。 --- 《精微流體動力學與微納尺度操控：麵嚮下一代生物醫學工程的機遇與挑戰》 內容提要 本書深入探討瞭流體動力學在微觀和納米尺度下的獨特行為及其在尖端生物醫學工程領域的革命性應用。有彆於宏觀世界的經典流體力學模型，本書著重解析瞭雷諾數極低、慣性效應可以忽略的精微尺度下，液體、氣體甚至軟物質的輸運、混閤與界麵現象。全書結構嚴謹，從基礎的流體力學理論在低雷諾數條件下的修正與拓展入手，逐步深入到復雜的生物流體環境，如細胞內部的生物大分子擴散、微流控芯片中的血液動力學模擬，以及納米顆粒在復雜多孔介質中的遷移行為。 本書強調理論分析、計算建模與實驗驗證的有機結閤。在理論部分，詳細闡述瞭斯托剋斯流、布朗運動對粒子輸運的疊加效應，以及電動力學效應（如電滲流、電泳）如何成為微尺度流體驅動的關鍵。計算方法部分，重點介紹瞭格子玻爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）在模擬非牛頓流體和多相流體界麵動力學中的優勢，並對比瞭有限元法（FEM）在處理復雜邊界條件時的局限性。 在應用層麵，本書係統性地梳理瞭微納流體技術在疾病診斷、靶嚮藥物遞送和新型生物傳感器開發中的前沿進展。具體章節涵蓋瞭微流控芯片設計中的傳熱與傳質優化，特彆是如何利用流體剪切力進行細胞分選和力學特性分析；體外器官芯片（Organ-on-a-Chip）的構建與流場模擬，確保生理相關性的流體環境；以及磁性納米機器人在體內微循環係統中的受控運動與定位技術。 本書麵嚮對生物物理、微納機電係統（MEMS）、生物醫學工程以及計算流體力學有濃厚興趣的研究人員、高年級本科生和研究生。它不僅提供瞭堅實的理論基礎，更提供瞭解決當前生物醫學工程瓶頸問題的創新思路和實用工具箱。 --- 詳細章節概述 (約1500字) 第一部分：精微尺度流體力學基礎的重構 (Foundations) 第一章：低雷諾數流動的本質與修正 本章首先迴顧瞭納維-斯托剋斯（Navier-Stokes）方程，並明確指齣在微納尺度（例如，特徵長度$L < 100 mu m$，流速$v < 1 mm/s$）下，慣性項$ ho (mathbf{v} cdot abla) mathbf{v}$的相對重要性急劇下降，使得流場主要由粘性力主導——即進入斯托剋斯流（Stokes Flow）的領域。 我們將詳細分析斯托剋斯方程的數學解法，重點介紹點源法（Method of Sources/Stokelets）在求解二維和三維低速流場問題中的應用。此外，引入布朗運動的隨機力學描述，探討流體中的懸浮粒子（如蛋白質或病毒顆粒）如何同時受到確定性的對流/擴散作用和隨機的分子碰撞作用。我們將推導並應用Peclet數（Pe）來量化對流與擴散的主導地位，為後續的混閤和分離過程提供判斷依據。 第二章：界麵現象與電動力學耦閤 在微流控係統中，液體與固體、液體與氣體的界麵行為至關重要。本章聚焦於毛細現象在微通道內的精確建模，包括接觸角對潤濕性的影響，以及如何利用錶麵張力梯度（Marangoni效應）進行流體操控。 重點內容是電動力學效應。詳細闡述電滲流（Electroosmosis, EOF）的物理機製，即在施加外部電場時，液體中帶電的離子層在固體電極錶麵的定嚮運動如何驅動整體流體流動。我們將推導Helmholtz-Smoluchowski（H-S）公式，並討論其在非理想電解質溶液和非均勻錶麵電荷密度下的局限性。同時，深入分析電泳（Electrophoresis）現象，即帶電生物分子在電場下的遷移速度，這直接關係到芯片上的分離效率。 第二部分：計算建模與數值仿真 (Computational Modeling) 第三章：格子玻爾茲曼方法（LBM）在非牛頓流中的應用 相對於傳統的有限體積法，LBM因其易於並行化和自然處理復雜邊界條件（如多孔介質、運動邊界）的優勢，成為微尺度流體仿真的有力工具。本章將係統介紹LBM的基本原理，包括分布函數演化、弛豫過程和宏觀量恢復。 重點應用案例是非牛頓流體，如高濃度DNA溶液或細胞懸液。我們將介紹如何修正LBM的碰撞算子（例如，通過引入變分LBM或多弛豫時間模型，MRT）來準確捕捉冪律流體和剪切稀化/增稠的行為，這些在微管內的血液流動模擬中不可或缺。 第四章：多相流與微混閤的數值策略 微流控芯片常用於驅動乳液生成或顆粒捕獲，涉及氣-液、液-液界麵。本章將對比相場法（Phase Field Method）和水平集方法（Level Set Method）在追蹤動態界麵形狀方麵的優劣。我們將展示如何利用這些方法精確模擬液滴在T形或Y形分流器中的生成、破碎與閤並過程，並優化流道幾何以控製液滴的大小和頻率。 此外，針對生物體係中固-液混閤問題，本章還將介紹如何結閤分子動力學（MD）模擬低尺度下的流體-錶麵相互作用，並將其與宏觀CFD模擬進行多尺度耦閤。 第三部分：前沿應用與工程實踐 (Applications) 第五章：器官芯片（Organ-on-a-Chip）的流體力學設計 器官芯片是體外研究活體器官生理功能的關鍵平颱。本章將重點分析如何在這些微係統中再現生理相關的血流動力學。討論內容包括：如何通過精確控製微通道內的流量和壓力梯度，模擬不同器官的典型剪切應力範圍（如血管內皮細胞的1-10 $ ext{dyn/cm}^2$）。 我們將探討如何利用多孔膜結構來模擬組織間質的傳質阻力，以及如何利用集成化的傳感器和微泵係統實現閉環控製，維持培養條件的穩定性，這對於長期的細胞功能研究至關重要。 第六章：靶嚮藥物遞送與納米機器人的流體力學操控 藥物遞送麵臨的主要挑戰是如何穿過復雜的血管壁和組織屏障。本章探討超磁性納米顆粒在受控磁場下的運動學。詳細推導顆粒在剪切流場中受到的磁力矩、磁驅動力與流體阻力的平衡方程，用於設計高效的體外磁分離和體內靶嚮係統。 此外，本章還將介紹如何利用光熱效應或聲流場在特定組織局部誘導微流體運動，從而實現藥物的精確釋放。內容涵蓋瞭流體力學對藥物穿透深度、分布均勻性的決定性影響，為開發下一代個性化治療方案提供工程指導。 --- 讀者對象 本書適閤於具有流體力學、物理學或生物工程背景的研究人員和工程師，特彆是那些緻力於開發微流控芯片、生物傳感器、先進診斷設備以及新型生物醫學成像技術的專業人士。對於希望將理論計算轉化為實際生物醫學解決方案的博士後和研究生，本書提供瞭堅實的跨學科橋梁。 --- 關鍵詞：微流控、斯托剋斯流、電滲流、器官芯片、納米顆粒輸運、格子玻爾茲曼方法、生物醫學工程

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