交流電潤濕作用下液滴振蕩及蒸發(fā)特性的實驗研究.pdf

1、微電子機械系統(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,微流控芯片、微致動器、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。
　　由于微液滴系統(tǒng)的尺度效應(yīng),利用傳統(tǒng)機械手段對其調(diào)控存在難度,本文提出利用電

2、水動力學(xué)中的電潤濕效應(yīng)對液滴的內(nèi)部混合以及蒸發(fā)進行調(diào)控。本文主要采用實驗研究的手段,利用先進的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攝像機建立了液滴的電潤濕以及蒸發(fā)特性研究的可視化實驗平臺,首次從俯視和側(cè)視兩個角度來拍攝液滴的振蕩以及蒸發(fā)行為。本文首先重點研究了直流以及交流電潤濕作用下液滴的動態(tài)過程,然后再分別研究了施加交流電場前后液滴的蒸發(fā)特性。
　　針對電潤濕特性的研究,實驗發(fā)現(xiàn)直流

3、作用下,液滴在達穩(wěn)態(tài)之前會經(jīng)歷一段欠阻尼振蕩過程。然后實驗主要研究了不同交流電頻率下共面電極電潤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...),且實驗獲得的共振頻率值與文獻中的線性理論預(yù)測值吻合良好。在共振模態(tài)Pn下,液滴振蕩對稱,表面呈現(xiàn) n/2個波峰。在相鄰共振模態(tài)間存在某個臨界頻率,此時液滴振蕩對稱,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,液滴接觸線延展至最大時呈“液瓣”狀,且液瓣的位置通過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,液滴振蕩左右不對稱,具體表現(xiàn)為液滴表面波的傳動(稱此現(xiàn)象為“共振前”模態(tài) Pn,b)。預(yù)期這些液滴的非對稱振蕩會產(chǎn)生更為混亂的內(nèi)部流動,從而增強微流控液滴混合器的混合效率。
　　針對蒸發(fā)特性的研究,首先在無電場施加時發(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,這與已有文獻的研究結(jié)果相符。然后在此基礎(chǔ)上對交流電潤濕作用下固著液滴的蒸發(fā)過程進行了實驗與分析,實驗過程中維持交流頻率為液滴初始體積對應(yīng)的某階共振頻率 fn不變。實驗發(fā)現(xiàn)隨著蒸發(fā)過程的進行,液滴的振蕩形態(tài)會出現(xiàn)由初始時刻的n階共振模態(tài) Pn向低階共振模態(tài) Pm(2≤m