十字聚焦型微通道內(nèi)液滴形成機(jī)理的研究.pdf

1、目前微流控芯片技術(shù)應(yīng)用于能源的工程應(yīng)用和太陽(yáng)能電池等應(yīng)用領(lǐng)域中，由于微流控芯片具有成本低、樣品消耗少等優(yōu)勢(shì)，具有重要的研究意義與廣闊的發(fā)展前景。而微液滴作為反應(yīng)的控制單元，對(duì)微液滴生成尺寸和頻率的可控性，在目前微流控芯片研究中，是必不可少的研究方向。目前使用最多的三種微通道模型中，十字聚焦流微通道具有剪切速度快、可以生成更小的液滴等優(yōu)勢(shì)，目前被廣泛應(yīng)用在大量生成微尺度液滴。本文利用十字聚焦流微通道，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得微液滴，并在相同的邊界

2、條件下，進(jìn)行數(shù)值模擬。并在此基礎(chǔ)上提出多種微通道尺寸，進(jìn)行數(shù)值模擬；進(jìn)一步探討液滴形成的機(jī)理和如何深化微液滴生成的可控性。主要工作包括以下幾個(gè)方面：1.運(yùn)用有限元差分方法， N-S方程的數(shù)值方程運(yùn)算公式基礎(chǔ)上，闡述了SIMPLE迭代算法的插值方程運(yùn)算過(guò)程，詳細(xì)敘述了一種VOF界面追蹤方程耦合Level Set零等值面的數(shù)值模擬方法。
　　2.制作兩種尺寸的十字聚焦流微通道微芯片，選擇二甲基硅油與水做連續(xù)相與分散相，為得到分散系為油

3、包水分散系液滴，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，調(diào)控連續(xù)相速度得到多種不同尺度的液滴。并在相同的邊界條件下，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，并成功模擬得到與實(shí)驗(yàn)相同的液滴尺寸。
　　3.對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，得出在本文進(jìn)行的模擬中單體網(wǎng)格尺寸在2μm×2μm時(shí)，網(wǎng)格對(duì)結(jié)果無(wú)關(guān)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。并且對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吔鐥l件優(yōu)化，引入毛細(xì)數(shù)Ca與韋伯?dāng)?shù)We兩種無(wú)量綱參數(shù)，通過(guò)對(duì)流速、表面張力、黏度以及周期之間的變化，利用參數(shù)的來(lái)衡量液滴的變化規(guī)律，對(duì)液滴形成機(jī)理做探究。

4、　　4.在前文的基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)微通道模型優(yōu)化的目的，多次改變十字聚焦流微通道尺寸；提出尺寸為50μm、75μm和90μm的脖徑縮口二維微通道，對(duì)這三種模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析微通道脖徑縮口尺寸的改變對(duì)液滴的產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)縮口對(duì)于液滴的生成速率和生成的液滴尺寸有影響；基于上述發(fā)現(xiàn)，將分散相入射口的尺寸定為40μm，改變臨角分別為30°、45°、60°和75°，發(fā)現(xiàn)單一改變只對(duì)速度場(chǎng)有顯著的影響。因此固定側(cè)邊長(zhǎng)度為50μm，對(duì)邊分別向中心軸