电场作用下微流控系统中微气泡/微汽泡的动力行为特性及其调控机理

摘要

20世纪以来,随着微制造技术的快速发展,许多前沿科技都朝着微型化方向迈进,为科学研究和工程应用开创了新的方向与机遇。微换热器、微流控芯片、微致动器、微混合器、微化学反应器、微燃料电池等各种微热流系统相继涌现,在微电子、材料科学、化学工程、生物化学分析、分子生物学、能源等诸多学科领域显示出了广泛的应用前景。一些新型的微流体控制技术受到了各国学者极大的关注,其中微流体系统中的微气泡生成技术、利用附加电场效应控制微气泡生成大小及频率、微汽泡在微泵中的应用以及外加电场强化微通道沸腾传热等研究内容,己经成为当前工程热物理领域的研究热点。
　　 微流体系统产生的微气泡在药物输送、超声造影、肿瘤去除基因研究、新材料的中尺度自组装、立体结构的微制造、DNA的分离和蛋白质结晶分析等方面具有重要的应用。因此,研究微流体系统中气泡的生成及控制技术,具有十分重要的实际意义。此外,许多学者对脉冲加热下微气泡产生过程中瞬间引起的较强的压力波动及其在微泵和微致动器的应用发生广泛的兴趣。也有许多学者对电场强化常规尺度下的沸腾换热进行了大量实验研究。
　　 针对以上研究的热点,本文首先用实验方法研究微通道几何结构(Ω),气液流速比(R)以及Ca对气泡形成的影响。从实验数据拟合得到bubbling及jetting两种不同模式下的气泡发生无量纲频率(τ)经验公式,并且研究形成的微气泡在下游T型通道处的分离行为,发现了断裂(breaking)及不断裂(non-breaking)两种气泡分离方式,并对其进行了理论分析。
　　 随后研究电场对气泡形成的影响,将电极放置在子微通道出口附近气泡发生的地方,采用格子Boltzmann方法的分子势能模型,模拟了低毛细数时电场作用下非润湿微通道内两种不相融流体的混合而产生的气泡形成的过程。模拟结果表明,随着电场强度的增加,产生气泡的体积减小而形成频率增加。这是因为在电场作用下的气泡生成过程中,气泡和固体壁面之间的间隙减小,导致正在生成的气泡更有效地堵塞连续相流体。这一堵塞作用增加了气泡界面两相的压差,导致对气泡脖子更强的压缩效应。对于一个固定的连续相和分散相流量比,存在一个使气泡开始接触电极的临界电场强度。在这一临界场强处,生成气泡的体积突然显著减小,频率显著增加。高场强下,电场力在流场中起主导作用,连续相速度对气泡的变形的影响不大。本研究模拟结果表明电场可用于有效控制气泡生成体积和频率的大小。
　　 最后本研究精心设计并加工了集成在微通道内的微加热器,开展了脉冲加热下流动沸腾流型及表面活性剂效应等的研究,重点研究了流速、脉冲宽度、热流密度、活性剂浓度等对微尺度沸腾现象及微汽泡行为的影响。并利用先进的MEMS加工技术,设计了独特的微芯片,重点研究电场对微加热器壁面上单个微汽泡动力行为的影响,从而探究电场作用强化沸腾换热的机理及效应。