液滴微流控中两相流动与换热特性的数值模拟研究

发布时间：2024-04-25 23:18

　　液滴微流控在化学反应、生物芯片、材料制备和强化传热等领域有广泛应用前景,揭示其中液滴产生机理及流动与传热特性具有重要工程意义和学术价值。本文采用数值模拟方法研究了 T型微通道内两相流三维流动特性、通道几何结构及壁面速度滑移条件对液滴产生的影响,还对液滴在微通道中的强化换热特性进行了系统研究。本研究无疑有助于加深对液滴微流控中液滴产生和输运过程的理解,为该技术更好的应用奠定良好的理论基础。针对标准T型微通道产生液滴过程进行二维和三维对比数值研究,揭示两者结果差异是因为液滴脱落过程可分为二维和三维断裂两个阶段,且后者过程更快。二维模拟能近似再现二维断裂但无法捕捉三维断裂过程。三维模拟则能更好地吻合实验结果。通过改变微通道几何参数发现,增加微通道深宽比会强化两相流动的三维特性,减弱壁面对液滴脱落的不利影响。此时,分散相脱落段更早进入三维断裂阶段,液滴产生加速。细致分析发现,产生液滴的临界毛细数与深宽比呈指数关系,且随之增大而减小,深宽比为1的前后关系式不同。本文提出的在T型交叉处增加矩形凸台的改良T型微通道可显著改善液滴产生性能,包括扩大Dripping区、减小Jetting区,进而减小液滴...

【文章页数】：128 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．２三种典型液滴微流控结构，上图为示意图［２３］，下图为实验图［２７］，?（ａ）同轴流：??（ｂ）?Ｔ型剪切流；（ｃ）聚焦流??

解其内部液??滴的产生机理。??Ｃｏｆｌｏｗ?ＣｆＯＳＳ＊ｆｌ〇Ｗ?Ｆｌｏｗ?ｆｏｃｕｓｉｎｇ??｜＾ｏ?Ａ?＼％??．．．．．Ｕ??Ｌｐｃｆ＾ｅｄｐｈ＾?？?—上．二二－??ｓｓ，?－?ＩＩ?ｉ?＊???＿〇？?Ｋ?〇〇????一人?ｌ?＾?＾?＾?＜ｔ？ｐｍｅｄ??＂……＿＿....

图１．３扁平微通道中液滴两相流的二维与三维特性，（ａ）软光刻制作的微通道扫描电镜图??［４１］；?（ｂ）受挤压状态下的液滴准二维流动［４０］；?（ｃ）和（ｄ）分别为Ｔ型微通道中分散相??脱落段的主视图和左视图丨４２］??

?第１章绪论???ｃ?内?Ａ?Ｊ??Ｔｏｐ?Ａ?Ｌ．—丨＼?／?｛??Ｗａｌｌ?ｃｏｎ，ａｃ，?［?＾?１?Ｖ：?＾?２?＇?＞＜７］?（Ｖ?２??＾?ｐ＇／ｙ＾｝ｒ－ｐ＇?ｖ?ｙ?３ｘＶ／ｘ４??—ｉ?■…■■－－－－？Ｓ＝ｇｇ＾Ｕ－－－－?３｜２ＬｊＬ２＾１ｌＩ４?ｋ?ｘ５?....

图１．５?（ａ）分散相流道插入毛细管的Ｔ型微通道及（ｂ）气泡尺寸与毛细管和主流道壁面??间距的关系［５５］；?（ｃ）分散相流道插入毛细管的直通道和阶梯型Ｔ型微通道液滴产生频率??变化及（ｄ）?Ｈ－ＰＴＶ实验得到的局部速度云图［５６］??

２?＝?０．９９８８????ｉ?ｗ?＾??３０００????：?，???，?１?１Ｕ?＇??ＱｄｓＳＭＵｍｉｎ．?Ｓｔｒａｉｇｈｔ?Ｃｈａｎｎｅｌ?？产??２５００?Ｑｔｆｓ６ＭＬ／ｍｉｎ，?Ｓｔｅｐ?Ｃｈａｎｎｅｌ?／?Ｑ??????ｉ?．???２〇〇〇?／?，?０?２０?４０?....

图１．６?Ｔ型微通道局部结构变化带来的影响，（ａ）改变下游主流道宽度［５９］；?（ｂ）?Ｔ型交口??附近增加梯形凸台［４４］；?（ｃ）分散相出口的收口设计丨６０］??综上所述，传统Ｔ型微通道的局部结构的改进能够显著改善液滴的产生性??

，１?一《〇．ｕ〇５５?Ｚ＝１．４?Ｍ２??〇?—?：Ｗ?ｆ?＼?’??ＣＬ?．．、？?ｖ、?一?ｗ?．Ｖ＊ｖ?ｉ???：二二二??：—－—－－—．．．．Ｎ?ｉ－??????——?＾?＾??Ｉ?今，＇??????ｒ?—…歲?????＿???＿??＊￣￣￣＊＞．＊＊３ＴＭ￣ＴＴ＜ｖ....

本文编号：3964376