粘彈性流體微尺度流動(dòng)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(dòng)現(xiàn)象和微納尺度元器件,尤其微電子-機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展,開辟了微小尺度流動(dòng)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(duì)微流控開展大量的實(shí)驗(yàn)和模擬工作,不僅認(rèn)識(shí)了許多奇特的微尺度流動(dòng)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(duì)微觀流動(dòng)如微液滴生成和微納連續(xù)流動(dòng),尤其在引入流體粘彈性后,仍然存在許多機(jī)理方面的問題需要解決。

2、r>　　目前,大多數(shù)微尺度流動(dòng)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(gè)粘彈性流體和微尺度的環(huán)境,對(duì)粘彈性流體在微尺度環(huán)境中流動(dòng)能使我們加深對(duì)生物流體行為的理解,并正確指導(dǎo)各種涉及流動(dòng)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(dòng)能對(duì)慣性湍流中Batchelor流態(tài)下流場信息提供參考,并考察被動(dòng)標(biāo)量結(jié)構(gòu)在流動(dòng)混合中的演化,為混合的

3、基本原理增加深刻認(rèn)識(shí)。
　　本文針對(duì)微流控中液滴流動(dòng)和連續(xù)流兩個(gè)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析。實(shí)驗(yàn)中首先對(duì)流體物性、表面性質(zhì)和擴(kuò)散特性等進(jìn)行了測量,采用適合的流體搭配進(jìn)行了牛頓流體和粘彈性流體的液滴生成實(shí)驗(yàn),并用不同濃度的粘彈性流體在四種不同的微通道中進(jìn)行了流動(dòng)混合實(shí)驗(yàn)。為了佐證實(shí)驗(yàn)并理解實(shí)驗(yàn)無法獲得的細(xì)節(jié)信息,利用數(shù)值模擬方法對(duì)牛頓流體液滴生成進(jìn)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(duì)液滴脫離前繞液滴的壓力變化進(jìn)行了分析,強(qiáng)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(duì)彎曲通道內(nèi)流體混合中的標(biāo)量結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬都發(fā)現(xiàn)了四種不同的流動(dòng)模式,前三種對(duì)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(xì)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(duì)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(dòng)的壓力降大大增加。對(duì)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(gè)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(duì)液滴破碎的動(dòng)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(xì)不穩(wěn)定性)三個(gè)過程進(jìn)行了分析。
　　在粘彈性流體連續(xù)流動(dòng)對(duì)標(biāo)量混合研究中,通過統(tǒng)計(jì)矩的計(jì)算分析了粘彈性流體Batchelor流態(tài)下混合速度和混合時(shí)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)