数值模拟研究微通道结构对液滴非对称分断的影响

摘要

微流体技术是一门全新的多重交叉学科，是一门在微观尺度下控制、操作和检测复杂流体的技术，它的兴起引起了研究者的广泛关注。微流体液滴技术是微流体技术的一个重要分支，包括液滴的生成、操控（传递、分选、混合、融合和分断等），已经应用到生物学、化学和药物学等多个领域。
　　微液滴的分断对于微流体液滴技术的应用十分重要。实现微液滴分断的方式有主动方式和被动方式。由于被动方式操作简单，分断的效果也很好，本文中进行的是液滴被动分断的研究。
　　微液滴的非对称分断的被动方式主要是利用微通道的内部结构实现的，文中第二章主要是设计具有拓扑一致性的不同结构的微通道（T、Y、I型微通道），并利用三维VOF数值模拟方法研究液滴在这些微通道内的非对称分断。通过系统改变毛细管数（Ca）和非对称性系数（As），得到液滴非对称分断的三种流变过程。同时引入基于毛细管数、非对称性系数和初始体积比的幂函数理论模型来预测不同结构的微通道内液滴非对称分断后子液滴的体积大小。通过对液滴分断过程的液滴内外压力场分析，得到引起液滴平移的关键因素之一是液滴的内部压力差。最后，通过比较在不同微通道内的液滴非对称分断的相同点和不同点，得出用于实现液滴非对称分断的比较理想的微通道结构是I-180型微通道，微液滴在此微通道内分断时存在最小的临界毛细管数，分断所用时间最短，并且不容易产生卫星液滴。
　　本文第三章主要是利用VOF方法对微液滴在带有障碍物的微通道内的非对称分断过程进行三维数值模拟，获得了液滴发生直接破裂、回缩破裂、回缩不破裂、不破裂四种流型。具有一定体积的微液滴的非对称分断，与液滴所处的流场环境和障碍物的结构有关。通过对比不同长度和高度的障碍物对液滴非对称分断的临界毛细管数的影响，得到液滴非对称分断毛细管数随着障碍物长度增长或宽度减小而减小，和液滴大小的关系是非线性关系，当l0/Lob小于0.68时Cacr随着V0的增大而减小，当l0/Lob大于0.68时Cacr随着V0的增大而增大。本文的研究为以后微通道的设计提供指导。

目录

声明

第一章 绪论

1.1微流体概述

1.2微流体液滴技术

1.2.1 液滴动力学基础

1.2.2液滴的生成

1.2.3液滴的操控

1.2.4微流体液滴技术的应用

1.3 VOF模型简介及在微流体技术中的应用

1.3.1 CFD中VOF模型简介

1.3.2 VOF模型在微流体技术中的应用

1.4本文研究的内容

第二章 T、Y、I型微通道内液滴非对称分断

2.1研究模型

2.2 数值方法和参数设定

2.2.1 GAMBIT前处理

2.2.2 FLUENT求解设置及分析

2.2.3网格无关性验证

2.2.4方法有效性验证

2.3 数值结果与讨论

2.3.1 T型微通道内液滴的非对称分断

2.3.2 Y型微通道内液滴的非对称分断

2.3.3 I-180型微通道内液滴的非对称分断

2.3.4微通道拓扑变化对液滴分断的影响

2.3.5液滴的多级非对称分断

2.3.6 Ca普遍性意义

2.4本章小结

第三章 障碍物微通道内液滴非对称分断

3.1研究模型

3.2研究方法及参数设定

3.3数值结果与讨论

3.3.1 微液滴流变行为

3.3.2 微液滴分断的临界毛细管数

3.4本章小结

第四章 总结与展望

4.1总结

4.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢