微尺度下液體流動(dòng)、傳熱特性及其應(yīng)用研究.pdf

1、由于微流體設(shè)備在高效傳熱傳質(zhì)、精細(xì)高附加值化學(xué)品生產(chǎn)等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，有關(guān)微尺度下液體流動(dòng)、傳熱特性的研究也越來(lái)越受到人們的重視。常規(guī)尺度下液體的流動(dòng)、傳熱特性理論在微尺度下是否適用，在常規(guī)尺度下可以忽略的因素在微尺度下是否會(huì)對(duì)流動(dòng)、傳熱產(chǎn)生明顯的影響等問(wèn)題都需要深入分析和探討。本文研究了不同流體（包括去離子水、離子液體1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯水溶液和硝酸鈉水溶液）在微尺度下的流動(dòng)特性，使用COMSOLMultiphysics

2、軟件模擬了離子液體水溶液在微尺度下的流動(dòng)、傳熱特性，并考察了微流體設(shè)備中制備mPEG-PLGA納米顆粒的過(guò)程特性。主要內(nèi)容如下:
　　1.研究了去離子水在管徑范圍為44.5-1011μm，粗糙度（相對(duì)粗糙度）范圍為0.1-5.2μm(0.02-4.32％)的三種不同材料(不銹鋼SS、聚醚醚酮塑料PEEK和石英FS)管道內(nèi)的流動(dòng)特性，得到了雷諾數(shù)范圍為29-11644的2502個(gè)摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)點(diǎn)。本文提出了特征參數(shù)α來(lái)描

3、述微尺度(1-1000μm)與常規(guī)尺度(≥100μm)的偏離程度，基于該特征參數(shù)提出了計(jì)算微尺度下臨界雷諾數(shù)的關(guān)聯(lián)式（與實(shí)驗(yàn)值的平均絕對(duì)偏差A(yù)AD為1.9％）以及計(jì)算微尺度下湍流區(qū)摩擦系數(shù)的修正的Moody方程（與實(shí)驗(yàn)值的平均絕對(duì)偏差A(yù)AD為2.4％）。
　　2.研究了濃度分別為10-2、10-4和10-6mol·L-1離子液體1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯([C2mim][EtSO4])水溶液和硝酸鈉水溶液在管徑范圍為44.5-

4、102.5μmPEEK材料微管（光滑管道）內(nèi)的流動(dòng)特性。發(fā)現(xiàn)電黏性效應(yīng)在微管管徑大于等于44.5μm時(shí)可以忽略，而且離子液體水溶液與普通電解質(zhì)水溶液的流動(dòng)特性相同。同時(shí)使用COMSOL Multiphysics軟件模擬了管徑(1-100μm)和流體濃度(10-2、10-4、10-6mol·L-1)這兩個(gè)變量對(duì)離子液體水溶液流動(dòng)過(guò)程中電黏性效應(yīng)大小的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體濃度減小到10-6mol·L-1，微管管徑小于等于10μm時(shí)，電黏性效應(yīng)對(duì)

5、流動(dòng)特性的影響大于5％，此時(shí)電黏性效應(yīng)的影響不可忽略。
　　3.測(cè)定了離子液體[C2mim][EtSO4]及其相關(guān)體系的導(dǎo)熱系數(shù)，基于二階Scheffé多項(xiàng)式擬合得到了不同溫度、濃度條件下導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式?；谕?fù)渲笖?shù)法，提出了一個(gè)模型來(lái)估算離子液體導(dǎo)熱系數(shù)。然后使用COMSOLMultiphysics軟件模擬了管徑(1-100μm)和流體濃度（10-2，10-4，10-6mol·L-1）這兩個(gè)變量對(duì)離子液體水溶液傳熱過(guò)程中電黏性

6、效應(yīng)大小的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體濃度減小到10-6mol·L-1，微管管徑小于等于5μm時(shí)，電黏性效應(yīng)對(duì)傳熱特性的影響大于5％，此時(shí)電黏性效應(yīng)的影響不可忽略。
　　4.使用光刻方法制作了PDMS材料微流體設(shè)備，在該設(shè)備內(nèi)穩(wěn)定層流流動(dòng)狀態(tài)下，通過(guò)控制流量比率、mPEG-PLGA相對(duì)分子量和濃度等工藝條件，制備得到了粒徑范圍為19-129nm的mPEG-PLGA納米顆粒。發(fā)現(xiàn)微流體法可以實(shí)現(xiàn)粒徑的較好控制，且得到的納米顆粒的PDI等性能均優(yōu)