微通道內(nèi)光熱效應(yīng)致蒸發(fā)特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微納加工技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)室的大部分功能可以集成到一個(gè)微小芯片上，形成微流控芯片實(shí)驗(yàn)室，在分析化學(xué)和生化領(lǐng)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(lǐng)域，該技術(shù)將光學(xué)技術(shù)引入到微流控系統(tǒng)中，使得兩者的優(yōu)點(diǎn)得到了有效結(jié)合。光能通過(guò)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(yīng)是光和流體相互作用的一種重要實(shí)現(xiàn)方式?；诠鉄嵝?yīng)，尤其是基于光熱效應(yīng)致相變過(guò)程已形成了許多新的微流控裝置，但大多側(cè)重于對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)其中

2、的蒸發(fā)特性缺乏深入的認(rèn)識(shí)。因此，研究微通道內(nèi)光熱效應(yīng)致蒸發(fā)特性具有十分重要的意義。
　　本文采用可視化實(shí)驗(yàn)手段和圖像處理技術(shù)，對(duì)微通道內(nèi)光熱效應(yīng)致蒸發(fā)特性開(kāi)展研究工作，實(shí)驗(yàn)采用波長(zhǎng)為1550nm的紅外聚焦光作為光熱效應(yīng)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(yīng)驅(qū)動(dòng)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(duì)蒸發(fā)的影響。然后以微

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

4、續(xù)加熱，界面溫度會(huì)上升到一個(gè)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(xiàn)性趨勢(shì)增加，隨光斑位置增大呈近拋物線(xiàn)趨勢(shì)減弱。微通道寬度增加后，界面蒸發(fā)速率減小。對(duì)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(duì)微通內(nèi)純水蒸發(fā)，激光開(kāi)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(guò)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(xiàn)性增長(zhǎng)，蒸發(fā)速率隨加熱距離的增大呈近拋物線(xiàn)下降。液柱長(zhǎng)度很短時(shí)，蒸發(fā)會(huì)在液柱的前后界面同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)液柱的長(zhǎng)度達(dá)到1000μm以上時(shí)，后端界面的蒸發(fā)基本可以忽略。
　　3）對(duì)微通道內(nèi)NaCl溶液蒸發(fā)，飽和NaCl的蒸發(fā)速率遠(yuǎn)低于同工況下水的蒸發(fā)速率。蒸發(fā)過(guò)程中，NaCl溶液逐漸濃縮，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間激光加熱后，溶液的過(guò)飽和度增加到90％左右，液柱中NaCl開(kāi)始結(jié)晶生長(zhǎng)。溶液最大溫升隨激光功率變化呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，蒸發(fā)速率隨加