微矩形通道中弹状流的生成机制与输运特性

摘要

微液滴操纵是微流控技术的重要组成内容，也是研究最为广泛的微流控技术之一，主要是指利用互不相溶的两种或多种液体相互作用，生成微尺度下的单分散液滴以及对其精确操控的技术。微液滴包括弹状流、单液滴流、群滴流等三种流态。其中，弹状流是指截面充盈整个通道界面的大液滴，与通道壁面直接接触或间隔一层很薄的连续相液膜。弹状流的生成与输运表现出与其他流型不同的特性，备受研究者关注，在微给药、微分离、微浓缩等研究领域具有广泛的应用前景。
　　本课题主要面向矩形截面微通道，对通道内弹状流的生成机制和输运特性展开研究。以微尺度下流体力学基本理论为基础，分析了微流体的重力、惯性力、剪切力、界面张力，并运用无量纲数比较了各作用力间的相对大小，明确了微尺度下流动的支配因素。课题充分考虑相间界面张力与壁面润湿性的影响，建立适用于微尺度下的弹状流的数学模型。
　　基于流场分析软件，对几何模型进行网格划分，通过设定初始条件和边界条件，对弹状流的生成与输运过程进行了数值模拟。通过主要支配参数的变化，研究了对弹状流长度、形状等行为的变化规律。利用数值模拟的优势，监测弹状流生成中通道内压力的变化。
　　用数值方法，研究了弹状流的输运特性。考察了动态接触角、拐角圆角等形貌特征，并分析了各参数的影响状况。液滴内部环流有利于提高传质效率。本文研究了流量对内环流强度的影响。
　　通过搭建制备弹状流的实验平台，结合微尺度粒子图像测速系统(Micro-PIV)观测弹状流的生成过程，并与数值结果进行了对比。通过改变各流动参数，总结弹状流的生成规律。通过分析实验结果，建立弹状液滴长度随两相流量、流量比、粘度等影响因素的变化曲线。
　　研究表明:在弹状流生成过程中，黏性剪切力、界面张力、前后压差动态变化。其中，前后压差是微液滴断裂的主要动力。弹状流的生成受流量比、流量、连续相黏度、界面张力及壁面润湿性等参数的影响。生成的弹状液滴随流量、连续相的黏度、接触角的增大而减小，随界面张力的增大而增大。通过数据分析，得到了弹状液滴有效特征长度随毛细管数Ca的拟合公式，可预测液滴的大小。弹状流形状在输运过程中，受通道几何形状、流体物性参数、壁面润湿性的影响，前后曲率不对称，前尖后钝，接触角符合Tanner定律。以微液滴为参考系，在液滴内部除了有上下两个大环流外，在前后端还分布两对小环流。研究了流量对环流强度的影响，发现环流强度随流量的增大而增大。

目录

声明

论文说明

摘要

1．1 引言

1．2 微液滴技术的特点和应用

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 课题研究内容与意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究意义

第2章 基于T型微通道的弹状流模型

2．1 T型微通道模型

2．2 微通道内弹状流的影响因素

2．2．1 作用力估计

2．2．2 无量纲参数

2．2．3 壁面润湿性

2．3 数值模型的建立

2．3．1 基本假设的提出

2．3．2 数学模型的建立

2．3．3 边界条件

2．3．4 边界层判断

2．3．5 研究方法

2．4 本章小结

第3章 数值模拟模型与实验平台的建立

3．1 数值模拟模型的建立

3．1．1 前处理

3．1．2 参数设置

3．1．3 网格独立性

3．2 微流控实验工艺

3．2．1 驱动方式

3．2．2 芯片材料

3．2．3 微流控芯片的制作工艺

3．3 实验台搭建与实验过程

3．3．1 实验器材与仪器介绍

3．3．2 实验台的搭建

3．3．3 仪器调试

3．3．4 实验步骤

3．3．5 注意事项

3．4 本章小结

第4章 微弹状流的生成机理研究

4．1 模拟结果及分析

4．1．1 弹状流的生成过程

4．1．2 微液滴生成过程的力学分析

4．1．3 两相流量对液滴生成的影响

4．1．4 连续相黏度对液滴生成的影响

4．1．5 两相界面张力对液滴生成的影响

4．1．6 三相接触角对液滴生成的影响

4．2 实验结果及分析

4．2．1 实验数据的采集

4．2．2 数值模拟和实验研究结果对比

4．2．3 流量与液滴长度的关系

4．2．4 连续相黏度与液滴长度的关系

4．3 本章小结

第5章 微弹状流输运过程的影响机制

5．1 弹状液滴轮廓

5．1．1 接触角

5．1．2 拐角流

5．2 微液滴的移动速度

5．3 弹状流的压降

5．4 液滴内部流动

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术成果情况