交流电润湿作用下液滴振荡及蒸发特性的实验研究

摘要

微电子机械系统(MEMS)技术的快速发展为微流体系统的发展提供了契机,微流控芯片、微致动器、微混合器、微化学反应器、微燃料电池、微换热器等各种微热流系统相继涌现,显示出了广泛的应用前景。这些应用广泛涉及到微流体流动的传热与传质现象,其中基于液滴的微流体系统,包括液滴型混合器以及基于液滴蒸发的换热器等,己经成为当前工程热物理及相关交叉学科领域的研究热点。
　　由于微液滴系统的尺度效应,利用传统机械手段对其调控存在难度,本文提出利用电水动力学中的电润湿效应对液滴的内部混合以及蒸发进行调控。本文主要采用实验研究的手段,利用先进的MEMS技术将微电极以及介电层集成在硅基芯片表面上,然后基于此芯片以及高速 CCD摄像机建立了液滴的电润湿以及蒸发特性研究的可视化实验平台,首次从俯视和侧视两个角度来拍摄液滴的振荡以及蒸发行为。本文首先重点研究了直流以及交流电润湿作用下液滴的动态过程,然后再分别研究了施加交流电场前后液滴的蒸发特性。
　　针对电润湿特性的研究,实验发现直流作用下,液滴在达稳态之前会经历一段欠阻尼振荡过程。然后实验主要研究了不同交流电频率下共面电极电润湿芯片上液滴的振荡行为特性。结果表明在某些特定的输入频率下液滴出现共振(称为共振模态 Pn,n=2,4,6...),且实验获得的共振频率值与文献中的线性理论预测值吻合良好。在共振模态Pn下,液滴振荡对称,表面呈现 n/2个波峰。在相邻共振模态间存在某个临界频率,此时液滴振荡对称,但很微弱,且接触线宽度和液滴高度的振荡相位关系在此发生转变。小于此临界频率时,液滴接触线延展至最大时呈“液瓣”状,且液瓣的位置通过液滴的收缩和延展在水平面内周期性交替,液瓣数目随着相邻共振模态阶数 n的升高而增加(称此现象为“共振后”模态 Pn,a)。大于此临界频率时,液滴振荡左右不对称,具体表现为液滴表面波的传动(称此现象为“共振前”模态 Pn,b)。预期这些液滴的非对称振荡会产生更为混乱的内部流动,从而增强微流控液滴混合器的混合效率。
　　针对蒸发特性的研究,首先在无电场施加时发现,恒温疏水表面上固着液滴的蒸发模式主要为“常接触角”模式,这与已有文献的研究结果相符。然后在此基础上对交流电润湿作用下固着液滴的蒸发过程进行了实验与分析,实验过程中维持交流频率为液滴初始体积对应的某阶共振频率 fn不变。实验发现随着蒸发过程的进行,液滴的振荡形态会出现由初始时刻的n阶共振模态 Pn向低阶共振模态 Pm(2≤m

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第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究进展综述

1.3 本文研究内容

第二章 实验系统及方法

2.1 实验装置及系统

2.2 实验芯片

2.3 实验测量方法及数据处理

2.4 本章小结

第三章 液滴的电润湿效应

3.1 液滴直流电润湿效应

3.2 液滴交流电润湿效应

3.3 本章小结

第四章 电润湿作用下液滴的蒸发

4.1 未施加电压时液滴的蒸发

4.2 交流电润湿作用下液滴的蒸发

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 研究创新点

5.3 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文