微尺度下液体流动、传热特性及其应用研究

摘要

由于微流体设备在高效传热传质、精细高附加值化学品生产等领域广阔的应用前景，有关微尺度下液体流动、传热特性的研究也越来越受到人们的重视。常规尺度下液体的流动、传热特性理论在微尺度下是否适用，在常规尺度下可以忽略的因素在微尺度下是否会对流动、传热产生明显的影响等问题都需要深入分析和探讨。本文研究了不同流体（包括去离子水、离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯水溶液和硝酸钠水溶液）在微尺度下的流动特性，使用COMSOLMultiphysics软件模拟了离子液体水溶液在微尺度下的流动、传热特性，并考察了微流体设备中制备mPEG-PLGA纳米颗粒的过程特性。主要内容如下:
　　1.研究了去离子水在管径范围为44.5-1011μm，粗糙度（相对粗糙度）范围为0.1-5.2μm(0.02-4.32％)的三种不同材料(不锈钢SS、聚醚醚酮塑料PEEK和石英FS)管道内的流动特性，得到了雷诺数范围为29-11644的2502个摩擦系数与雷诺数关系的数据点。本文提出了特征参数α来描述微尺度(1-1000μm)与常规尺度(≥100μm)的偏离程度，基于该特征参数提出了计算微尺度下临界雷诺数的关联式（与实验值的平均绝对偏差AAD为1.9％）以及计算微尺度下湍流区摩擦系数的修正的Moody方程（与实验值的平均绝对偏差AAD为2.4％）。
　　2.研究了浓度分别为10-2、10-4和10-6mol·L-1离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯([C2mim][EtSO4])水溶液和硝酸钠水溶液在管径范围为44.5-102.5μmPEEK材料微管（光滑管道）内的流动特性。发现电黏性效应在微管管径大于等于44.5μm时可以忽略，而且离子液体水溶液与普通电解质水溶液的流动特性相同。同时使用COMSOL Multiphysics软件模拟了管径(1-100μm)和流体浓度(10-2、10-4、10-6mol·L-1)这两个变量对离子液体水溶液流动过程中电黏性效应大小的影响。发现当流体浓度减小到10-6mol·L-1，微管管径小于等于10μm时，电黏性效应对流动特性的影响大于5％，此时电黏性效应的影响不可忽略。
　　3.测定了离子液体[C2mim][EtSO4]及其相关体系的导热系数，基于二阶Scheffé多项式拟合得到了不同温度、浓度条件下导热系数的关联式。基于拓扑指数法，提出了一个模型来估算离子液体导热系数。然后使用COMSOLMultiphysics软件模拟了管径(1-100μm)和流体浓度（10-2，10-4，10-6mol·L-1）这两个变量对离子液体水溶液传热过程中电黏性效应大小的影响。发现当流体浓度减小到10-6mol·L-1，微管管径小于等于5μm时，电黏性效应对传热特性的影响大于5％，此时电黏性效应的影响不可忽略。
　　4.使用光刻方法制作了PDMS材料微流体设备，在该设备内稳定层流流动状态下，通过控制流量比率、mPEG-PLGA相对分子量和浓度等工艺条件，制备得到了粒径范围为19-129nm的mPEG-PLGA纳米颗粒。发现微流体法可以实现粒径的较好控制，且得到的纳米颗粒的PDI等性能均优于传统方法制备得到的纳米颗粒。同时在微流体设备中采用布洛芬和姜黄素这两种药物制备了包裹药物的mPEG-PLGA纳米颗粒，得到了较好的药物包裹率、载药量和体外缓释曲线。

目录

声明

致谢

摘要

缩写、符号清单和术语表

1 绪论

1．1 前言

1．2 微尺度下液体流动、传热特性研究进展

1．2．1 常规尺度下液体流动特性

1．2．2 微尺度下液体流动特性的研究现状

1．2．3 常规尺度下液体传热特性

1．2．4 微尺度下液体传热特性的研究现状

1．3 离子液体体系流动、传热过程及相关物性研究进展

1．3．1 微尺度下电黏性效应研究现状

1．3．2 离子液体体系流动、传热过程研究现状

1．3．3 离子液体体系相关物性研究现状

1．4 微流体设备应用研究进展

1．4．1 微流体设备应用研究现状

1．4．2 微流体法制备纳米颗粒研究现状

1．5 本文工作内容及意义

参考文献

2 管径和粗糙度对微尺度下液体流动特性的影响

2．1 前言

2．2 实验方法

2．2．1 实验装置与过程

2．2．2 微管尺度测量

2．2．3 实验数据处理

2．2．4 实验不确定度分析

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 实验结果

2．3．2 层流区域

2．3．3 临界雷诺数

2．3．4 过渡区域

2．3．5 湍流区域

2．4 本章小结

参考文献

3 电黏性效应对微尺度下液体流动特性的影响

3．1 前言

3．2 实验方法

3．2．1 实验装置与过程

3．2．2 流体溶液配制

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 不同浓度NaNO3、[C2mim][EtSO4]水溶液在102．5 μm微管内的流动特性

3．3．2 不同浓度NaNO3、[C2mim][EtSO4]水溶液在75．3 μm微管内的流动特性

3．3．3 不同浓度NaNO3、[C2mim][EtSO4]水溶液在44．5 μm微管内的流动特性

3．4 电黏性效应数值模拟研究

3．4．1 电势分布模拟(一维)

3．4．2 速度分布模拟(一维)

3．5 数值模拟结果与讨论

3．5．1 微管管径的影响

3．5．2 流体浓度的影响

3．6 本章小结

参考文献

4 电黏性效应对微尺度下液体传热特性的影响

4．1 前言

4．2 离子液体体系导热系数的测量及估算

4．2．1 导热系数测量

4．2．2 导热系数估算

4．3 电黏性效应数值模拟研究

4．3．1 电势、速度分布模拟(二维)

4．3．2 温度分布模拟(二维)

4．4 数值模拟结果与讨论

4．4．1 微管管径的影响

4．4．2 流体浓度的影响

4．5 本章小结

参考文献

5 微流体法制备mPEG-PLGA纳米颗粒的研究

5．1 前言

5．2 实验方法

5．2．1 实验试剂

5．2．2 微流体设备

5．2．3 纳米颗粒制备方法

5．2．4 包裹药物的纳米颗粒制备方法

5．2．5 纳米颗粒表征方法

5．2．6 包裹药物的纳米颗粒载药量和包裹率测量方法

5．2．7 包裹药物的纳米颗粒体外释药实验方法

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 不同工艺条件对纳米颗粒粒径的影响

5．3．2 纳米颗粒粒径的关联

5．3．3 载药量和包裹率

5．3．4 药物缓释

5．4 本章小结

参考文献

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

附录

作者简历