侧壁沟通式Ψ型微流控原型装置液滴生成的数值模拟与实验研究

摘要

现有微流控液滴生成技术大多采用T型通道的结构安排，在其中生成液滴需要较高的外部压力来实现两相流动的剪切断裂。本论文讨论微丝模塑工艺构建的侧壁沟通式Ψ型微圆通道微液滴生成能力，以探索基于T型的通道构型变化可否在降低外部压力开销下也能生成液滴。
　　首先，针对微通道横截面的两种基本几何构型——微矩形通道和微圆通道内部的流场分布，利用Fluent软件进行了数值模拟。结果呈现出轴向同为弧形走向的这两种不同横截面构型的微通道内部流场分布有差别。微矩形通道的流场较为规则，呈现出明显的层流流动；而微圆通道中心部分的流场不稳定。对产生这种现象的原因进行了讨论。
　　其次，针对Ψ型交叉微圆通道构型的液滴生成过程作数值模拟，基本的模拟过程是使用Gambit2.3.16软件进行通道建模，然后利用Fluent软件进行迭代求解。讨论了通道结构、连续相流速、接触角、表面张力、毛细管数等相关因素对液滴生成的影响。结果提示：（1）两微通道内径恒等的?型交叉构型，其生成的液滴直径与轴线走向呈半圆形的微通道的半径R成正向关系。R从160m增加到350m时，生成的液滴直径从56m增大到80m。当R无穷大时即成了侧壁沟通式十字交叉微圆通道，液滴直径为90m大于微圆管内径，因此液滴在圆管内呈液段。（2）随着连续相流速的增加，液滴直径减小，且连续相流量与液滴直径之间呈指数关系。（3）要获得稳定、均一的W/O液滴必须使分散相在连续相上接触角160°，当接触角120°时，产生的液滴容易附着在通道壁上。（4）随着表面张力的降低，液滴直径有减小的趋势，但是当表面张力降低到0.07N/m以下时会产生一段很长的拖带。（5）液滴直径随着毛细管数的增加而变小。
　　第三，根据数值模拟的结果，利用CNC加工工艺与微丝模塑工艺设计构建了侧壁沟通式Ψ型交叉构型微流控装置原型，并进行了液滴生成实验。讨论了连续相流量与液滴直径的关系以及连续相流量对液滴生成频率的影响。实验结果表明：（1）在这种原型装置中，连续相流量与液滴直径符合指数关系，这与数值模拟结果相符。（2）随着连续相流量的增加，液滴生成频率先增加后降低。（3）Ψ型微圆通道生成液滴时所需压力比十字交叉微圆通道液滴生成时所需压力低。最后，给出了这种装置的液滴生成有效区域。

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目录

1 绪 论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文研究目的和内容

1.4 技术路线

2 CFD技术与Fluent软件简介

2.1微通道内两相流的基本理论

2.2 CFD简述

2.3 Fluent软件介绍

2.4 液滴生成数值模拟的几点基本假设

2.5 本章小结

3 ?型微圆通道内液滴生成的数值模拟

3.1 引言

3.2微矩形通道与微圆通道的区别

3.3?型侧壁沟通式微圆通道的设计及网格划分

3.4 Fluent求解过程

3.5 图像结果及分析

3.6 小结

4 微流控芯片的制作方法

4.1 引言

4.2 微通道制作的材料及方法

4.3 侧壁沟通式十字交叉微流控通道及侧壁沟通式?型微流控通道构建

4.4 小结

5 ?型微圆通道内微液滴的生成

5.1 引言

5.2 液-液两相流制备液滴

5.3 结果与讨论

5.4 小结

6 结论及后续工作建议

6.1 论文完成的主要工作以及创新点

6.2 进一步的研究建议

致谢

参考文献

附 录