微通道中組裝各向異性粒子的數(shù)值模擬.pdf

1、各向異性粒子是新型功能材料的構(gòu)筑基元,粒子的非中心對(duì)稱特性可以構(gòu)造出一系列內(nèi)部結(jié)構(gòu)精確可控的納米或微米膠體材料,在化工、醫(yī)藥、生物、食品、電子等許多領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用。盡管現(xiàn)有的各向異性粒子制備技術(shù)無(wú)法滿足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用,但是由于其具有新穎的形態(tài)學(xué)特征和巨大的應(yīng)用潛力,各向異性粒子的合成與制備技術(shù)受到了研究者的廣泛關(guān)注。
　　液滴技術(shù)是以微流控芯片為基礎(chǔ)用于操縱微小體積液滴的技術(shù),能夠精確控制液滴體積并且對(duì)液滴執(zhí)行聚并、液滴內(nèi)混

2、合和液滴分選等操作。液滴作為微反應(yīng)器具有樣品消耗少、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、內(nèi)部混合迅速等優(yōu)點(diǎn),廣泛的應(yīng)用于快速分析、先進(jìn)材料合成、蛋白質(zhì)結(jié)晶和生物細(xì)胞分析等領(lǐng)域。
　　邊界元法具有高精度和降低計(jì)算維數(shù)的優(yōu)點(diǎn),在處理無(wú)限域或復(fù)雜幾何形狀問(wèn)題上具有很高的靈活性。結(jié)合譜方法的“無(wú)窮階”收斂性,本文采用二維波譜邊界元素法對(duì)液滴在低雷諾數(shù)下的流變學(xué)特性進(jìn)行模擬。在計(jì)算過(guò)程中,采用四階龍格庫(kù)塔算法來(lái)降低計(jì)算誤差并提出界面重構(gòu)技術(shù)用于模擬液滴聚并過(guò)程。<

3、br>　　液滴的聚并過(guò)程涉及到較短的時(shí)間和長(zhǎng)度尺度,通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究較為困難,目前液滴聚并的機(jī)理仍在探索之中。本文采用波譜邊界元素法對(duì)大小相同的液滴正向碰撞過(guò)程中液滴間界面變化情況進(jìn)行了模擬,研究了液滴間中心距離以及液滴內(nèi)流場(chǎng)隨時(shí)間變化情況,并提出界面重構(gòu)算法對(duì)十字形微通道內(nèi)相同大小液滴的聚并過(guò)程進(jìn)行了模擬。
　　本文提出了一種新型微流體裝置用于組裝具有補(bǔ)丁精確定位的各向異性粒子。這種裝置由微流體四輪磨(MFRM)和十字形通道耦合

4、而成,通過(guò)調(diào)整進(jìn)出口流量可以在裝置的中心腔體內(nèi)產(chǎn)生從完全延展流到剪切流再到完全旋轉(zhuǎn)流的所有流動(dòng)情況。結(jié)合邊界積分方法本文繪制了不同流動(dòng)情況下裝置內(nèi)流動(dòng)速度矢量圖和流線分布圖。根據(jù)模擬結(jié)果本文提出了在這種新型裝置內(nèi)制備各向異性粒子的方案,并且對(duì)制備含有三個(gè)補(bǔ)丁的各向異性粒子的操作過(guò)程進(jìn)行了說(shuō)明,研究了旋轉(zhuǎn)時(shí)間、黏度和小液滴半徑對(duì)補(bǔ)丁相對(duì)位置的影響,并指出了操作過(guò)程中應(yīng)采用的最佳流量范圍。本文的研究結(jié)果為制備補(bǔ)丁精確定位的各向異性粒子提供了