微通道內(nèi)光熱效應致蒸發(fā)特性實驗研究.pdf

1、微納加工技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)化學和生物實驗室的大部分功能可以集成到一個微小芯片上，形成微流控芯片實驗室，在分析化學和生化領域產(chǎn)生了很多革新。而光流體技術(shù)是微流控技術(shù)中的新興領域，該技術(shù)將光學技術(shù)引入到微流控系統(tǒng)中，使得兩者的優(yōu)點得到了有效結(jié)合。光能通過光熱敏感材料或者流體的直接吸收轉(zhuǎn)化成熱，即光熱效應是光和流體相互作用的一種重要實現(xiàn)方式?；诠鉄嵝?，尤其是基于光熱效應致相變過程已形成了許多新的微流控裝置，但大多側(cè)重于對功能的實現(xiàn)，對其中

2、的蒸發(fā)特性缺乏深入的認識。因此，研究微通道內(nèi)光熱效應致蒸發(fā)特性具有十分重要的意義。
　　本文采用可視化實驗手段和圖像處理技術(shù)，對微通道內(nèi)光熱效應致蒸發(fā)特性開展研究工作，實驗采用波長為1550nm的紅外聚焦光作為光熱效應激發(fā)光源。首先制備100μm×185μm的T型微通道，并在主通道出口加工了帶微型端口的出口，研究光熱效應驅(qū)動純水在端口處彎液面蒸發(fā)速率、界面溫度變化、界面?zhèn)髻|(zhì)特性以及激光功率、光斑位置及通道尺寸對蒸發(fā)的影響。然后以微

3、通道內(nèi)部水柱為研究對象，研究光熱效應致純水蒸發(fā)特性；重點研究了激光功率、光斑位置、液柱初始長度對蒸發(fā)的影響。最后，以微通道內(nèi)NaCl溶液液柱為研究對象，研究光熱效應致NaCl溶液的蒸發(fā)特性；探討激光功率、光斑位置及NaCl溶液濃度對蒸發(fā)的影響，并了解NaCl溶液蒸發(fā)結(jié)晶過程以及結(jié)晶前溶液的過飽和度變化。主要研究結(jié)果如下：
　　1）通過微端口處彎液面蒸發(fā)的研究發(fā)現(xiàn)激光開啟后界面溫度迅速增加。在剛開始時，界面溫度分布不均勻。由于激光持

4、續(xù)加熱，界面溫度會上升到一個穩(wěn)定值，而且界面溫度分布變得均勻。界面最大溫升和蒸發(fā)速率隨激光功率增大呈近線性趨勢增加，隨光斑位置增大呈近拋物線趨勢減弱。微通道寬度增加后，界面蒸發(fā)速率減小。對于界面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)在所有工況下的傳質(zhì)系數(shù)幾乎相同，約0.4m/s。
　　2）對微通內(nèi)純水蒸發(fā)，激光開啟后，蒸發(fā)界面附近水溫度迅速上升并在界面產(chǎn)生蒸發(fā)。在蒸發(fā)過程中，液柱前端界面不斷后移，前端界面基本不和冷凝液滴聚合。蒸發(fā)界面附近水工質(zhì)最大溫

5、升隨激光功率變化呈線性增長，蒸發(fā)速率隨加熱距離的增大呈近拋物線下降。液柱長度很短時，蒸發(fā)會在液柱的前后界面同時進行，當液柱的長度達到1000μm以上時，后端界面的蒸發(fā)基本可以忽略。
　　3）對微通道內(nèi)NaCl溶液蒸發(fā)，飽和NaCl的蒸發(fā)速率遠低于同工況下水的蒸發(fā)速率。蒸發(fā)過程中，NaCl溶液逐漸濃縮，經(jīng)過長時間激光加熱后，溶液的過飽和度增加到90％左右，液柱中NaCl開始結(jié)晶生長。溶液最大溫升隨激光功率變化呈線性增長，蒸發(fā)速率隨加