压力驱动微尺度液-液分层流动研究

摘要

相界面效应是微尺度流动的核心问题，对这一问题的深入研究，直接影响微流控理论和设备的研发。本文以双电层和边界滑移效应为重点，考虑边界滑移和双电层的共同作用，建立了微槽道内两互不相溶电解质液-液分层流流场的解析解；建立了考虑固-液界面边界滑移和双电层以及液液界面双电层综合作用下的微槽道内液-液分层流流场的解析解；采用小扰动理论研究了边界滑移和双电层共同作用下，微槽道内液-液分层流的稳定性。得到以下主要结论：
　　(1)壁面处滑移速度指向流动方向或者流动反方向取决于双电层效应弱强。电动分离距离越小，Zeta电势越大，双电层效应越强，回流越显著，指向流动反方向的滑移速度越大。IDM，SDM和ZDM三个模型下，流速分布与Zeta电势、边界滑移以及电动分离距离有关。
　　(2)对于液-液分层流系统，黏性系数比越大，流速越小，与较低黏性系数流体接触的壁面处双电层作用越弱，指向流动反方向的滑移速度越小。高黏性流体所占槽道比例越小，流速越大，高黏性系数流体侧壁面双电层作用越强，指向流动方向的滑移速度越小。电导率比越大，流速越大，壁面附近双电层作用越弱，壁面处指向流动方向的滑移速度越大。若边界滑移与双电层同时存在于一侧壁面，Zeta电势的改变对流动速度影响显著，否则影响微弱。
　　(3)对于考虑 ITIES存在双电层的液-液分层流系统，液-液界面双电层使液-液界面流速分布变形，槽道内流速减小，电黏滞效应增加。若液-液界面电势与固-液界面电势符号相同，液-液界面双电层加强固-液界面附近的双电层效应；若符号相反，液-液界面双电层弱化固-液界面附近的双电层效应，使回流现象减弱甚至消失。动力黏性系数比越大，液-液界面双电层对固-液界面附近双电层效应的影响越小。液-液界面双电层强化了电导率比对流速的增加作用。液-液界面与一侧壁面的距离越小，液-液界面双电层对该侧壁面附近的双电层效应影响越大。边界滑移对流速的影响与液-液界面双电层、液-液界面电势差、固-液界面双电层、黏性系数比、界面位置、电导率比等有关。
　　(4)对于液-液分层流系统，边界滑移对流动稳定性的作用受壁面Zeta电势、电导率比、动力黏性系数比、界面位置、槽道高度(电动分离距离)等因素影响。双电层效应增强时，边界滑移使流动稳定性减弱，反之，使流动稳定性增强。

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第一章 绪论

1.1微流动概述

1.2微流动的尺度效应及研究现状

1.3微尺度流动及其稳定性的研究现状

1.4存在的问题

1.5本文研究内容

第二章 固-液界面效应影响下的微槽道液体流动

2.1引言

2.2互为独立的边界滑移与双电层模型(IDM)

2.3边界滑移影响Zeta电势模型(SDM)

2.4 Zeta电势影响边界滑移模型(ZDM)

2.5模型验证

2.6结果与讨论

2.7本章小结

第三章 固-液界面效应影响下的微槽道液-液分层流

3.1引言

3.2边界滑移与双电层相互独立的模型(IDM)

3.3边界滑移影响Zeta电势模型(SDM)

3.4 Zeta电势影响边界滑移模型(ZDM)

3.5模型验证

3.6结果与讨论

3.7本章小结

第四章 相界面效应影响下的微槽道液-液分层流

4.1引言

4.2模型假设

4.3电势和离子浓度分布

4.4固-液和液-液相界面存在双电层的流速

4.5固-液和液-液相界面双电层及固-液界面滑移影响下的流速

4.6体积流量

4.7模型验证

4.8结果与讨论

4.9本章小结

第五章 固-液界面效应影响下微槽道液-液分层流的稳定性

5.1引言

5.2小扰动分析

5.3结果与讨论

5.4本章小结

第六章 结论、创新点与展望

6.1结论

6.2主要创新点

6.3展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢