应用微流控技术测量流体粘度的实验装置及实验方法

摘要

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及应用微流控技术测量流体粘度的实验装置，恒压泵、微量进样器、微流控芯片、废液收集系统依次连接，所述的微量进样器通过特氟龙管与微流控芯片连接；所述的温控系统与玻璃加热平台连接；激光光源、正置荧光显微镜、数码照相机依次连接；数码照相机位于正置荧光显微镜的载物台上方；所述的微流控芯片放置在玻璃加热平台上，玻璃加热平台放置于正置荧光显微镜载物台上。本发明可以得到较大温度范围内流体粘度的定量变化规律。该方法简单可行、准确度高、测量温度范围广、成本低，适用于作为流体力学相关学科的本科教学实验。

说明书

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种应用微流控技术测量流体粘度的实验装置及方法。

背景技术

(工程)流体力学是工科院校本科生、研究生的基础课程之一。流体力学课程实验较多，涉及到流态判别、粘度测量等的实验设备往往体积庞大、精度不高、不易维护，引入微流控芯片技术则可很好地解决以上几个方面的问题。

微流控芯片(Microfluidics)又称为芯片实验室(Lab-on-a-chip)，是指在一块面积很小(约几平方厘米)的透明载体(如玻璃、塑料等)上构建的尺寸精确的化学或生物实验室。它实现了化学或生物实验室常规功能的集成，具有高灵敏度、高精度、透明可视化、低成本等特点，是一种新兴的分析检测手段。国外已经将微流控技术引入到了化学、生物、医药、环境等各个领域，并使之发挥了重要的作用。我国的微流控芯片技术起步较晚，但发展很快，如林炳承、王立鼎、方肇伦等人都为我国微流控技术的应用提供了很好的理论指导和现实意义。

在石油工程领域，涉及流体的问题很多，如从流动形式上分析包括油气水的渗流、管流、环空流等，流动状态包括层流、紊流、段塞流等。目前，这些问题的传统教学研究手段十分有限，且耗时耗材、精度不高，而微流控技术则为这些问题的教学与研究提供了新的可能。

粘性指的是当流体微团发生相对运动时所产生的抵抗变形、阻碍其相对运动的性质，是流体具有的一个基本属性。而动力粘度μ反映流体真实粘性的大小，与流体种类和温度有关，其中温度对粘度的影响比较显著。

因此，理解温度对流体粘度的影响规律不仅是对流体力学这门专业基础课的应用与补充，更是石油工程、海洋油气工程、油气集输工程等专业的重要学习内容之一。通过该实验体系掌握温度与流体粘度的关系，将会对理解环空流、渗流、深水钻井液设计等提供有力的支持与帮助。

发明内容

本发明的目的在于提出一种应用微流控技术测量流体粘度的实验装置及方法，以解决目前流体力学课程实验的实验设备体积庞大、精度不高、不易维护等问题。

应用微流控技术测量流体粘度的实验装置，包括恒压泵、微量进样器、微流控芯片、温控系统、玻璃加热平台、激光光源、正置荧光显微镜、数码照相机、废液收集系统；所述的恒压泵、微量进样器、微流控芯片、废液收集系统依次连接，所述的微量进样器通过特氟龙管与微流控芯片连接；所述的温控系统与玻璃加热平台连接；激光光源、正置荧光显微镜、数码照相机依次连接；数码照相机位于正置荧光显微镜的载物台上方；所述的微流控芯片放置在玻璃加热平台上，玻璃加热平台放置于正置荧光显微镜载物台上。

其中，所述的微流控芯片的主体层为聚二甲基硅氧烷高分子材料层，底面载体为玻璃；微流控芯片的主体层内包括通道构型，通道构型为单直通道，单直通道宽为450～470μm，高为40～50μm。优选地，所述微流控芯片的微通道宽为460.5μm，高为44.2μm。

具体地，所述温控系统和玻璃加热平台的选用温度范围为298K～348K。

具体地，数码照相机的相关参数为：光圈F3.2，ISO100，感光度80，曝光时间1s。

该应用微流控技术测量流体粘度的实验装置的实验方法，包括以下过程：

(1)、将荧光颗粒均匀的分散在待测流体样品中，将含有荧光颗粒的样品吸入微量进样器；

(2)、通过调节恒压泵面板参数，将流体样品注入微流控芯片并保持注入状态；

(3)、开启恒压泵向微流控芯片注射样品，使样品充满微流控芯片通道并流出少许后，暂停注入；

(4)、正置荧光显微镜选取合适的显微镜物镜，并使目镜下的视野为微流控芯片通道中段；

(5)、调整数码照相机焦距使之聚焦于微流控芯片通道；

(6)、通过温控系统设置目标温度，使玻璃加热平台达到设定温度，并静置10分钟；

(7)、开启恒压泵向微流控芯片注射样品，观察到流动稳定后，调整并记录曝光时间，开始拍照，照片数量为10张；

(8)、测量照片中各迹线的长度，除以曝光时间，得到微流控芯片管道中的流体流速分布；

(9)、将流速分布数据和压差参数带入N-S方程和连续性方程，从而得到该温度下的流体粘度。

其中，步骤(1)所述的荧光颗粒，颗粒直径为1μm。

步骤(1)所述的待测流体样品包括去离子水、机油、甘油。

本发明具有如下优点和效果：

本发明可以得到较大温度范围内流体粘度的定量变化规律。该方法简单可行、准确度高、测量温度范围广、成本低，适用于作为流体力学相关学科的本科教学实验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的微流控芯片结构示意图；

图3为实施例298K下去离子水的流场分布与模拟结果对比；

图4为实施例机油在298K和348K下的流场分布与模拟结果对比；

图5为实施例甘油在298K和348K下的流场分布与模拟结果对比；

图6为实施例不同温度下机油流速分布曲线图；

图7为实施例不同温度下甘油流速分布曲线图；

图8为实施例不同温度下机油粘度变化曲线图；

图9为实施例不同温度下甘油粘度变化曲线图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，应用微流控技术测量流体粘度的实验装置，包括恒压泵1、微量进样器2、微流控芯片3、温控系统4、玻璃加热平台5、激光光源6、正置荧光显微镜7、数码照相机8、废液收集系统9；所述的恒压泵1、微量进样器2、微流控芯片3、废液收集系统9依次连接，所述的微量进样器2通过特氟龙管与微流控芯片3连接；所述的温控系统4与玻璃加热平台5连接；激光光源6、正置荧光显微镜7、数码照相机8依次连接；数码照相机8位于正置荧光显微镜7的载物台上方；所述的微流控芯片3放置在玻璃加热平台5上，玻璃加热平台5放置于正置荧光显微镜7载物台上。

如图2示，所述的微流控芯片3的主体层为聚二甲基硅氧烷高分子材料层，底面载体为玻璃；微流控芯片3的主体层内包括通道构型，通道构型为单直通道，单直通道宽为450～470μm，高为40～50μm。优选地，所述微流控芯片3的微通道宽为460.5μm，高为44.2μm。

具体地，所述温控系统4和玻璃加热平台5的选用温度范围为298K～348K。

具体地，数码照相机8的相关参数为：光圈F3.2，ISO100，感光度80，曝光时间1s。

实施例1：去离子水验证实验的可行性

(1)为了验证实验的可行性，首先针对去离子水进行试验，直接使用荧光颗粒溶液作为样品进行试验，用微量进样器2入荧光颗粒溶液适量，然后将微量进样器2设在恒压泵1，在恒压泵1板上设定相关参数后，即可开始注入样品；

(2)开启恒压泵1向微流控芯片3注射样品，将样品充满微流控芯片3通道并流出少许后，暂停注入，之后开始调整正置荧光显微镜7，使目镜下的视野为微流控芯片3通道中段，且大小适当，将数码照相机8与正置荧光显微镜7连接，并调整焦距；

(3)设置温控平台温度为298K，待温度达到设定温度后，开启恒压泵1，观察到流动稳定后，开始拍照，照片数量可根据实际效果决定，但不应少于5张；

(4)照片收集后，利用图形分析软件进行量化分析，从而得到特定温度和特定流速下的去离子水流场分布，如图3所示。

由图3可知，由荧光颗粒迹线分析所得的流场分布符合圆管层流理论解析解的抛物线形式，且流速于管轴处最大，实际流场分布与模拟结果基本吻合。由实验结果拟合所得的平均流速74.84μm/s和实验设定的平均流速75μm/s一致，由此计算所得的水的动力粘度μ(0.8985cP)与查表及模拟所用的值皆一致，代表实验方案准确可行。

实施例2：油相的流场观测与模拟验证

所用油相分别为机油和甘油。选用COMSOL Multiphysics模拟软件进行验证。

荧光颗粒表面进行疏水性处理后，加入油相以指示其流场分布，具体操作步骤与实施例1中水相的观测一样，进口压力控制为1.5个大气压。且完成一组观测后，将温控系统4的温度调整至348K，待系统稳定将测量步骤再重复一遍。可以得到机油和甘油的流场分布情况如图4和图5。

由图4可知，在恒压条件下，机油流场可通过实验观测测得，通过拟合可得其动力粘度在298K时为574cP，升温至348K时动力粘度降低为28cP，可见温度对动力粘度影响显著，且两组实验数据皆与模拟曲线相吻合；

由图5，同理可得甘油的动力粘度在298K时为995cP，384K时为24cP，且两组实验数据皆与模拟曲线相吻合。

对比图4与图5，温度升高皆起到了降粘的作用，且不同温度下流体流场差别显著，且拟合粘度与参考值吻合，说明该实验测定流体粘度准确有效，且可定量分析温度等因素对流变性的影响。

实施例3：温度对油相流场影响与粘度结果拟合

以实施例2为基础，在更多温度条件下对两种油品的流场分布进行了模拟，并选取了其中5条作图以便说明。机油在不同温度下的速度分布曲线如图6所示，甘油在不同温度下的速度分布曲线如图7所示。可以看出，机油的速度分布曲线明显区别于甘油的尖峰型层流曲线，近似为平板型层流曲线。平板型层流有利于携带岩屑及井壁稳定，符合机油的特点要求，也是钻井液所需要的特性。

进一步对比机油与甘油的流速分布图可得，在273K到373K的温度变化范围内，机油的粘度不断降低，而甘油的粘度从323K开始便不再随温度的升高发生明显的变化。

通过圆管层流理论提取不同温度下的流体粘度，则可得动力粘度变化曲线，如图8和图9所示。并利用阿伦尼乌斯公式进行拟合，结果分别如公式(1)和(2)所示。

μ＝4.75549×10^-10e^{51814.51426/(8.31451×T)}(1)

μ＝5.74611×10^-12e^{64116.38228/(8.31451×T)}(2)

式中：μ为流体的动力粘度，Pa·s；T为温度，K。

从图8和9中可以看出，随着温度的降低，两种油品的动力粘度皆增大。特别是在低于300K时，流体粘度受温度的影响很大，粘度随温度降低呈指数性增长；温度较高时对流体的粘度影响不是很明显。这也充分说明了，低温对流体的流变性能影响之大，低温流变性的调控是深水钻井液必须要攻克的难题之一。通过此实验，可以使学生们从实际和理论两方面对这一问题得到更深层的认识；同时，也可借助这一实验体系，对“恒流变”钻井体系进行设计与验证。