微通道中液滴流變學(xué)的數(shù)值模擬.pdf

1、微流體是一門利用十到百微米尺度下的通道來(lái)傳感、輸送、檢測(cè)、和控制微量流體（10-9?10-18升）的新興學(xué)科。近年來(lái)由于其微尺度、層流可控等許多優(yōu)點(diǎn)，受到了眾多研究者的重視。基于液滴的微流體裝置被層出不窮地設(shè)計(jì)出來(lái)，并廣泛應(yīng)用于生物、材料、醫(yī)藥等科技領(lǐng)域。
　　邊界元素法在描述復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和不同的邊界條件方面具有很高的靈活性，而波譜法具有指數(shù)收斂和數(shù)值穩(wěn)定性。本文所采用的二維波譜邊界元素法保留了波譜法與邊界元素法的所有優(yōu)點(diǎn)。我們還

2、通過(guò)界面重構(gòu)算法來(lái)提高數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性，通過(guò)四階龍格庫(kù)塔算法來(lái)計(jì)算界面的運(yùn)動(dòng)情況，以及采用離散點(diǎn)分?jǐn)嗥唇蛹夹g(shù)來(lái)模擬液滴的分?jǐn)噙^(guò)程。
　　本文中所有的數(shù)值算法都通過(guò)Fortran語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為Fortran程序，并在CompaqVisualFortran6中調(diào)試運(yùn)行，進(jìn)而得到液滴在十字形微通道、四輪磨微流體裝置（MFRM）以及T型微通道中流變學(xué)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。
　　液滴在十字形微通道和T型微通道中的變形和分?jǐn)噙^(guò)程非常相似，都存在流

3、場(chǎng)停滯點(diǎn)，且停滯點(diǎn)的位置與通道幾何結(jié)構(gòu)以及出口管道中的流量或者壓降相關(guān)，只是T型微通道中通道對(duì)液滴變形的限制作用增強(qiáng)。通過(guò)控制流場(chǎng)停滯點(diǎn)以及液滴初始位置，我們能夠可控和可重復(fù)地操縱液滴對(duì)稱或非對(duì)稱的變形和分?jǐn)?，并研究液滴各?xiàng)物理參數(shù)和通道幾何結(jié)構(gòu)對(duì)液滴界面動(dòng)力學(xué)的影響。
　　相對(duì)于十字形和T型微通道這類只能產(chǎn)生單一流場(chǎng)類型的簡(jiǎn)單通道，通過(guò)控制進(jìn)出口的流量，可以在MFRM中心空腔內(nèi)產(chǎn)生從完全延展流到剪切流到完全旋轉(zhuǎn)流的所有流場(chǎng)類型。

4、因此，可以對(duì)液滴在不同流場(chǎng)中界面的連續(xù)變形進(jìn)行數(shù)值研究。另外，連接MFRM通道（進(jìn)口和出口）和內(nèi)腔的孔口大小，以及流入和流出微通道的連續(xù)相(CP)的體積流率，是決定停滯在通道中心的液滴變形和旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素，尤其是液滴的旋轉(zhuǎn)。本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算和近似的量綱分析，研究了液滴旋轉(zhuǎn)的平均角速度與CP的體積流率和中心空腔半徑的關(guān)系，還通過(guò)對(duì)中心空腔內(nèi)流場(chǎng)的分析，得到了直接影響孔口大小的中心空腔的合適的半徑。我們的研究結(jié)果對(duì)如何設(shè)計(jì)合適的通道深度大于