低温保存可以长期有效地保存组织和细胞等多种生物材料,目前在生命科学研究、物种保存以及临床医学等领域具有重要的应用潜力。玻璃化保存方法可有效避免降温过程中的低温损伤,相对传统方法有原理性的突破。现有玻璃化保存方法主要是通过样品微量化提升降温速率,操作难度大且换热效率有限;同时开放式的操作方式容易污染生物样品;此外,玻璃化保存对象通常体积较小,且运动过程复杂,实验研究对其中的复杂物理过程认识不足。针对玻璃化保存中存在的上述问题,本论文在以下几个方面开展研究工作:(1)微通道内流动沸腾换热特性数值仿真方法研究本文对微通道内流动沸腾过程涉及的相变、换热等物理过程进行理论分析,研究其在微尺度下的相变特性、流动形态、换热特性、力学特性以及流固、热-力耦合特性,建立相应的控制方程,比较和确定了离散方法,形成针对微通道内流动沸腾换热特性的数值仿真方法。该方法为后续章节建立玻璃化保存微通道流动沸腾换热过程的数值计算模型奠定理论基础。(2)玻璃化保存微通道流动沸腾作用的降温机理研究基于微通道内流动沸腾换热特性的数值仿真方法,针对生物样品玻璃化保存微通道系统建立数值计算模型,对其降温机理进行研究;搭建玻璃化保存中降温过程的实验系统,对数值仿真方法的准确性进行对比验证;研究降温工质流速、微通道结构、样品层厚度以及微通道材质等因素对降温速率的影响规律,为建立玻璃化保存系统的降温速率控制方法提供途径。(3)玻璃化保存微通道的热-力耦合效应研究运用微通道流动沸腾实现玻璃化保存,具有超高的降温速率,能够突破传统方法的速率限制,但微通道芯片与生物样品在巨大温度梯度下产生较大热应力,可能造成微通道结构断裂或保存失效。因此,本文针对玻璃化保存微通道系统的热-力耦合效应进行深入研究。首先,在对降温过程的热-力耦合作用机理分析的基础上,将玻璃化保存微通道降温过程数值分析中所求得的温度场作为温度载荷,建立热-力耦合数值计算模型。然后,对不同流动条件、微通道芯片参数及材质下玻璃化保存微通道芯片以及生物样品在降温过程中受到的热应力进行分析,确定各影响因素对玻璃化保存系统热应力大小的影响规律,对预测系统的可靠性提供基础数据。(4)玻璃化保存微通道芯片的优化设计基于微通道内流动沸腾换热过程的仿真方法,运用正交试验方法设计试验,确定影响热应力的主要参数及其取值范围。通过极差分析,得出对玻璃化保存降温过程中降温速率及热应力影响因素的主次顺序,运用多指标综合平衡法得到玻璃化保存微通道芯片的最优参数组合。根据正交试验结果,验证最优参数组合能在满足玻璃化保存所需降温速率的同时保证芯片的结构强度及生物样品的成功保存,为玻璃化保存微通道芯片技术的进一步发展和应用提供重要支持。基于上述研究内容,本文的主要创新点总结如下:(1)建立了适用于玻璃化保存微通道的仿真方法本文在对微通道内流动沸腾换热涉及的物理过程进行理论分析的基础上,详细研究流动沸腾换热过程在微尺度下的各种特性,建立沸腾换热过程的控制方程,形成针对微通道内流动沸腾换热特性的数值仿真方法。经实验验证,该方法可实现对玻璃化保存微通道流动沸腾换热过程的准确模拟,突破目前对玻璃化保存研究中大部分研究仅限于实验研究的现状。(2)提出了玻璃化保存微通道降温作用及热-力耦合效应的影响因素及规律对于不同的玻璃化低温保存对象有不同的玻璃化转变临界降温速率,并且玻璃化保存所采用的超高速的降温速率所产生的热应力,可能导致微通道芯片结构发生断裂或生物样品保存失效。本文基于针对玻璃化保存降温过程的数值仿真方法研究,分析不同因素对降温速率和热应力的影响规律,为控制玻璃化保存降温速率和热应力提供依据,对突破玻璃化保存技术的瓶颈、促进玻璃化保存的工程应用具有实际指导意义。(3)提出了玻璃化保存微通道芯片的优化方法基于提高玻璃化保存系统的降温速率,以实现对玻璃化保存临界降温速率的突破,同时保证系统结构能满足降温过程中的热应力限制。本文通过对微通道结构的优化设计,提出了系统的优化方法,所得出的最优方案能在满足微通道芯片热应力限制的情况下,达到较高的降温速率。优化方法能够帮助研发人员对系统进行优化设计,并对实际生产加工提供建设性建议,推动玻璃化保存的行业应用。