微通道内气泡破裂与界面动力学研究

摘要

近二十年来，新兴的微化工技术得到了迅猛发展。微通道内的气泡行为及动力学是其重要的研究内容之一。本文利用高速摄像仪和高分辨率显微镜实验研究了微通道内气泡的破裂过程。主要内容如下：
　　研究了不对称T型分岔口处的四种不同流型：包括完全阻塞破裂（B1）、部分阻塞破裂（B2）、无阻塞破裂（B3）和不破裂（NB），及其转变机制。完全阻塞破裂与部分阻塞破裂以及部分阻塞破裂与无阻塞破裂之间的转变均可由临界无因次气泡长度描述。与对称T型分岔口相比，本文所采用的不对称结构更易于气泡破裂。
　　研究了不对称T型分岔口处完全受阻塞破裂区域内气泡的破裂过程。实验于宽度为400μm的正方型微通道内进行。气泡在不对称T型分岔口处的破裂过程可分为三个阶段：挤压阶段、过渡阶段和快速夹断阶段。挤压阶段主要受来流速度驱动，连续相粘度的增大可加速颈部变细。在过渡阶段，颈部最小宽度是一个线性变细的过程。在快速夹断阶段，来流速度的作用明显变弱，但其影响仍不可忽略。粘度的增大可减慢该阶段颈部的变细速度。在整个破裂过程中，气泡长度的影响几乎可以忽略。提出了一个可用于预测破裂时间的幂律关联式：0.93T/Tc?2(uTc/wc)?。
　　研究了对称T型分岔口处气泡的部分阻塞破裂过程。在破裂过程的挤压阶段，在气泡头部和通道壁面之间会有一条表征部分阻塞破裂特点的缝隙出现。气泡和通道壁面之间缝隙的出现对气泡颈部动力学并无明显影响，但是气泡头部的演化过程在缝隙出现前后具有明显差异。通过对头部动力学的分析，探讨了一些对于T型分岔口设计非常重要的参数，例如最终破裂长度和漏液量。
　　研究了十字型分岔口气泡破裂的临界条件。实验结果表明，气泡的临界破裂条件与气泡在十字型分岔口的两个时间尺度—破裂时间和形变时间有关。通过分析气泡通过十字型分岔口时的界面动态演化过程，确定了破裂和形变过程的起始时刻和终了时刻。通过分析各因素对破裂和形变过程的影响，构建了破裂时间和形变时间的数学模型，并得到了气泡破裂的临界条件。

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前言

第一章 文献综述

1.1 微流体设备内气泡（液滴）的破裂

1.2 常规尺寸设备内气泡（液滴）的破裂

1.3 本章小结

1.4 本文结构安排

第二章 实验部分

2.1 微通道结构

2.2 实验流程

2.3 流体性质

第三章 气泡在不对称T型分岔口的破裂

3.1 不对称T型分岔口处的气泡破裂行为

3.2 不对称T型分岔口处气泡完全阻塞破裂的动力学

第四章 气泡在对称T型分岔口的破裂

4.1 气泡在T型分岔口的部分阻塞破裂

4.2 T型分岔口气泡部分阻塞破裂的颈部动力学

4.3 T型分岔口气泡部分阻塞破裂的头部动力学

第五章 气泡在十字型分岔口的破裂

5.1 气泡在十字型分岔口的运动过程

5.2 十字型分岔口处气泡破裂与不破裂行为之间的转变

5.3 气泡在十字型分岔口处的形变及破裂动力学

5.4 气泡在十字型分岔口处的形变及破裂时间

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

符号说明

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢