粘彈性流體微尺度流動特性研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代制造技術(shù)和工藝向著微觀領(lǐng)域的快速發(fā)展,研究者的注意力轉(zhuǎn)向了潛力巨大的微納尺度流動現(xiàn)象和微納尺度元器件,尤其微電子-機械系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展,開辟了微小尺度流動與換熱的新領(lǐng)域和新階段。二十年來,國內(nèi)外學(xué)者們對微流控開展大量的實驗和模擬工作,不僅認識了許多奇特的微尺度流動現(xiàn)象,也開發(fā)了微尺度領(lǐng)域的新制造技術(shù),例如軟光刻技術(shù)。然而,對微觀流動如微液滴生成和微納連續(xù)流動,尤其在引入流體粘彈性后,仍然存在許多機理方面的問題需要解決。

2、r>　　目前,大多數(shù)微尺度流動控制的流體介質(zhì)都使用牛頓流體,并已經(jīng)取得很多成果;由于粘彈性流體普遍存在于日常生活中,如人體體液就是一個粘彈性流體和微尺度的環(huán)境,對粘彈性流體在微尺度環(huán)境中流動能使我們加深對生物流體行為的理解,并正確指導(dǎo)各種涉及流動混合、分子檢測、試劑反應(yīng)、氣泡/液滴融合等的物理化學(xué)過程。另外,研究由流體彈性誘發(fā)的混沌流動能對慣性湍流中Batchelor流態(tài)下流場信息提供參考,并考察被動標(biāo)量結(jié)構(gòu)在流動混合中的演化,為混合的

3、基本原理增加深刻認識。
　　本文針對微流控中液滴流動和連續(xù)流兩個基本問題,從添加表面活性劑改變流體性質(zhì)角度出發(fā),進行了實驗研究、數(shù)值模擬和理論分析。實驗中首先對流體物性、表面性質(zhì)和擴散特性等進行了測量,采用適合的流體搭配進行了牛頓流體和粘彈性流體的液滴生成實驗,并用不同濃度的粘彈性流體在四種不同的微通道中進行了流動混合實驗。為了佐證實驗并理解實驗無法獲得的細節(jié)信息,利用數(shù)值模擬方法對牛頓流體液滴生成進行了研究,主要關(guān)注于T型微通道

4、入口附近的壓力和速度變化,并引入潤滑理論對液滴脫離前繞液滴的壓力變化進行了分析,強調(diào)了液滴生成中的各種作用力相互關(guān)系。最后利用直接數(shù)值模擬(DNS)對彎曲通道內(nèi)流體混合中的標(biāo)量結(jié)構(gòu)進行了研究。
　　在微液滴的生成研究中,分別分析了牛頓流體-牛頓流體系統(tǒng)和牛頓流體-粘彈性流體系統(tǒng)。在牛頓流體液滴的發(fā)生形態(tài)上,實驗和數(shù)值模擬都發(fā)現(xiàn)了四種不同的流動模式,前三種對應(yīng)于被很好定義的推擠(Squeezing)、滴落(Dripping)和射流(

5、Jetting)模式,發(fā)現(xiàn)第四種平行流態(tài)是射流模式的發(fā)展,主要發(fā)生原因是毛細不穩(wěn)定性。通過分析液滴頭部的幾何參數(shù),分析了液滴在Squeezing和Dripping這兩種較穩(wěn)定模式下體積增長和流場、壓力變化的關(guān)系。數(shù)值模擬的結(jié)果給出了T型口附近局部壓力和速度變化,和潤滑分析對液滴內(nèi)循環(huán)的結(jié)果一起,發(fā)現(xiàn)微通道內(nèi)液滴串的存在使得流動的壓力降大大增加。對于粘彈性流體液滴生成,在常規(guī)界面張力條件下研究了液滴融合條件、韌帶拉伸和Hencky應(yīng)變,發(fā)

6、現(xiàn)韌帶拉伸具有線性拉伸區(qū)近似線性快速拉伸區(qū)兩個過程;在超低界面張力的條件下,發(fā)現(xiàn)了液滴生成的一種新模式——液滴破碎,并對液滴破碎的動力學(xué)特征過程(錐角形成)、彈性作用過程(韌帶抽出并拉伸)和界面不穩(wěn)定性過程(毛細不穩(wěn)定性)三個過程進行了分析。
　　在粘彈性流體連續(xù)流動對標(biāo)量混合研究中,通過統(tǒng)計矩的計算分析了粘彈性流體Batchelor流態(tài)下混合速度和混合時間,發(fā)現(xiàn)各階矩皆呈現(xiàn)指數(shù)形式的衰減;基于標(biāo)量能譜在波數(shù)空間的衰減情況和標(biāo)量結(jié)