電場作用下微流控系統(tǒng)中微氣泡-微汽泡的動力行為特性及其調(diào)控機(jī)理.pdf

1、20世紀(jì)以來,隨著微制造技術(shù)的快速發(fā)展,許多前沿科技都朝著微型化方向邁進(jìn),為科學(xué)研究和工程應(yīng)用開創(chuàng)了新的方向與機(jī)遇。微換熱器、微流控芯片、微致動器、微混合器、微化學(xué)反應(yīng)器、微燃料電池等各種微熱流系統(tǒng)相繼涌現(xiàn),在微電子、材料科學(xué)、化學(xué)工程、生物化學(xué)分析、分子生物學(xué)、能源等諸多學(xué)科領(lǐng)域顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。一些新型的微流體控制技術(shù)受到了各國學(xué)者極大的關(guān)注,其中微流體系統(tǒng)中的微氣泡生成技術(shù)、利用附加電場效應(yīng)控制微氣泡生成大小及頻率、微汽泡在

2、微泵中的應(yīng)用以及外加電場強(qiáng)化微通道沸騰傳熱等研究內(nèi)容,己經(jīng)成為當(dāng)前工程熱物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　 微流體系統(tǒng)產(chǎn)生的微氣泡在藥物輸送、超聲造影、腫瘤去除基因研究、新材料的中尺度自組裝、立體結(jié)構(gòu)的微制造、DNA的分離和蛋白質(zhì)結(jié)晶分析等方面具有重要的應(yīng)用。因此,研究微流體系統(tǒng)中氣泡的生成及控制技術(shù),具有十分重要的實(shí)際意義。此外,許多學(xué)者對脈沖加熱下微氣泡產(chǎn)生過程中瞬間引起的較強(qiáng)的壓力波動及其在微泵和微致動器的應(yīng)用發(fā)生廣泛的興趣。也有

3、許多學(xué)者對電場強(qiáng)化常規(guī)尺度下的沸騰換熱進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。
　　 針對以上研究的熱點(diǎn),本文首先用實(shí)驗(yàn)方法研究微通道幾何結(jié)構(gòu)(Ω),氣液流速比(R)以及Ca對氣泡形成的影響。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到bubbling及jetting兩種不同模式下的氣泡發(fā)生無量綱頻率(τ)經(jīng)驗(yàn)公式,并且研究形成的微氣泡在下游T型通道處的分離行為,發(fā)現(xiàn)了斷裂(breaking)及不斷裂(non-breaking)兩種氣泡分離方式,并對其進(jìn)行了理論分析。

4、>　　 隨后研究電場對氣泡形成的影響,將電極放置在子微通道出口附近氣泡發(fā)生的地方,采用格子Boltzmann方法的分子勢能模型,模擬了低毛細(xì)數(shù)時電場作用下非潤濕微通道內(nèi)兩種不相融流體的混合而產(chǎn)生的氣泡形成的過程。模擬結(jié)果表明,隨著電場強(qiáng)度的增加,產(chǎn)生氣泡的體積減小而形成頻率增加。這是因?yàn)樵陔妶鲎饔孟碌臍馀萆蛇^程中,氣泡和固體壁面之間的間隙減小,導(dǎo)致正在生成的氣泡更有效地堵塞連續(xù)相流體。這一堵塞作用增加了氣泡界面兩相的壓差,導(dǎo)致對氣泡

5、脖子更強(qiáng)的壓縮效應(yīng)。對于一個固定的連續(xù)相和分散相流量比,存在一個使氣泡開始接觸電極的臨界電場強(qiáng)度。在這一臨界場強(qiáng)處,生成氣泡的體積突然顯著減小,頻率顯著增加。高場強(qiáng)下,電場力在流場中起主導(dǎo)作用,連續(xù)相速度對氣泡的變形的影響不大。本研究模擬結(jié)果表明電場可用于有效控制氣泡生成體積和頻率的大小。
　　 最后本研究精心設(shè)計(jì)并加工了集成在微通道內(nèi)的微加熱器,開展了脈沖加熱下流動沸騰流型及表面活性劑效應(yīng)等的研究,重點(diǎn)研究了流速、脈沖寬度、熱