交流電潤(rùn)濕作用下液滴振蕩及蒸發(fā)特性的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展為微流體系統(tǒng)的發(fā)展提供了契機(jī),微流控芯片、微致動(dòng)器、微混合器、微化學(xué)反應(yīng)器、微燃料電池、微換熱器等各種微熱流系統(tǒng)相繼涌現(xiàn),顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。這些應(yīng)用廣泛涉及到微流體流動(dòng)的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象,其中基于液滴的微流體系統(tǒng),包括液滴型混合器以及基于液滴蒸發(fā)的換熱器等,己經(jīng)成為當(dāng)前工程熱物理及相關(guān)交叉學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　由于微液滴系統(tǒng)的尺度效應(yīng),利用傳統(tǒng)機(jī)械手段對(duì)其調(diào)控存在難度,本文提出利用電

2、水動(dòng)力學(xué)中的電潤(rùn)濕效應(yīng)對(duì)液滴的內(nèi)部混合以及蒸發(fā)進(jìn)行調(diào)控。本文主要采用實(shí)驗(yàn)研究的手段,利用先進(jìn)的MEMS技術(shù)將微電極以及介電層集成在硅基芯片表面上,然后基于此芯片以及高速 CCD攝像機(jī)建立了液滴的電潤(rùn)濕以及蒸發(fā)特性研究的可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),首次從俯視和側(cè)視兩個(gè)角度來(lái)拍攝液滴的振蕩以及蒸發(fā)行為。本文首先重點(diǎn)研究了直流以及交流電潤(rùn)濕作用下液滴的動(dòng)態(tài)過(guò)程,然后再分別研究了施加交流電場(chǎng)前后液滴的蒸發(fā)特性。
　　針對(duì)電潤(rùn)濕特性的研究,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直流

3、作用下,液滴在達(dá)穩(wěn)態(tài)之前會(huì)經(jīng)歷一段欠阻尼振蕩過(guò)程。然后實(shí)驗(yàn)主要研究了不同交流電頻率下共面電極電潤(rùn)濕芯片上液滴的振蕩行為特性。結(jié)果表明在某些特定的輸入頻率下液滴出現(xiàn)共振(稱為共振模態(tài) Pn,n=2,4,6...),且實(shí)驗(yàn)獲得的共振頻率值與文獻(xiàn)中的線性理論預(yù)測(cè)值吻合良好。在共振模態(tài)Pn下,液滴振蕩對(duì)稱,表面呈現(xiàn) n/2個(gè)波峰。在相鄰共振模態(tài)間存在某個(gè)臨界頻率,此時(shí)液滴振蕩對(duì)稱,但很微弱,且接觸線寬度和液滴高度的振蕩相位關(guān)系在此發(fā)生轉(zhuǎn)變。小于

4、此臨界頻率時(shí),液滴接觸線延展至最大時(shí)呈“液瓣”狀,且液瓣的位置通過(guò)液滴的收縮和延展在水平面內(nèi)周期性交替,液瓣數(shù)目隨著相鄰共振模態(tài)階數(shù) n的升高而增加(稱此現(xiàn)象為“共振后”模態(tài) Pn,a)。大于此臨界頻率時(shí),液滴振蕩左右不對(duì)稱,具體表現(xiàn)為液滴表面波的傳動(dòng)(稱此現(xiàn)象為“共振前”模態(tài) Pn,b)。預(yù)期這些液滴的非對(duì)稱振蕩會(huì)產(chǎn)生更為混亂的內(nèi)部流動(dòng),從而增強(qiáng)微流控液滴混合器的混合效率。
　　針對(duì)蒸發(fā)特性的研究,首先在無(wú)電場(chǎng)施加時(shí)發(fā)現(xiàn),恒溫疏

5、水表面上固著液滴的蒸發(fā)模式主要為“常接觸角”模式,這與已有文獻(xiàn)的研究結(jié)果相符。然后在此基礎(chǔ)上對(duì)交流電潤(rùn)濕作用下固著液滴的蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中維持交流頻率為液滴初始體積對(duì)應(yīng)的某階共振頻率 fn不變。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行,液滴的振蕩形態(tài)會(huì)出現(xiàn)由初始時(shí)刻的n階共振模態(tài) Pn向低階共振模態(tài) Pm(2≤m