氣泡在分叉結(jié)構(gòu)微通道中流動(dòng)特性研究.pdf

1、分叉結(jié)構(gòu)微通道中的氣泡流動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在于工程應(yīng)用和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，如肺部氣道樹中藥物的運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)上的氣體栓塞治療及多孔巖石中石油的開采等，因此開展氣泡在分叉通道中流變行為的研究，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景，受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。
　　雖然分叉結(jié)構(gòu)微通道中氣液兩相流動(dòng)已有一定數(shù)量的研究報(bào)道，但氣泡變形與破裂行為的內(nèi)在機(jī)理仍未得到充分認(rèn)識(shí)，尤其是氣泡分叉流動(dòng)過程中涉及的界面演化、壓力波動(dòng)、破裂機(jī)理及影響規(guī)律還未完全揭示。此外，現(xiàn)

2、有研究工作大多采用實(shí)驗(yàn)方法，而基于數(shù)值方法的系統(tǒng)研究相對(duì)較少。為此，本文基于VOF(volume of fluid)方法，分別建立了T型分叉微通道與分形樹狀微通道中的氣泡分叉流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。
　　對(duì)于T型結(jié)構(gòu)微通道氣泡分叉流動(dòng)，研究了氣泡長(zhǎng)度、毛細(xì)數(shù)及通道直徑比（主通道直徑子通道直徑）對(duì)分叉處氣泡變形與破裂行為特性的影響，重點(diǎn)探究了氣泡破裂機(jī)理，取得了以下主要研究結(jié)論:
　　(1)氣泡在分叉處的流動(dòng)行為分

3、為兩種:破裂與不破裂。較長(zhǎng)的彈形氣泡阻塞通道，易于破裂，其破裂行為主要是氣泡阻塞流體產(chǎn)生積壓迫使氣泡被拉伸擠壓而發(fā)生破裂。而較小的圓形氣泡，當(dāng)流速較小時(shí)，氣泡在分叉處不發(fā)生破裂，而是隨意的流入一子通道中;當(dāng)流速較大時(shí)，氣泡發(fā)生破裂，此時(shí)的破裂行為主要是因?yàn)榱魉佥^大時(shí)，氣泡受到的剪切力較大，足以克服束縛氣泡破裂的表面張力的作用而發(fā)生破裂。
　　(2)毛細(xì)數(shù)是影響分叉處氣泡破裂的重要因素。在較低毛細(xì)數(shù)下長(zhǎng)度較小的氣泡在分叉處不易發(fā)生破

4、裂;當(dāng)生成氣泡長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著毛細(xì)數(shù)的不斷增大，氣泡在分叉處會(huì)由不破裂變?yōu)槠屏?當(dāng)毛細(xì)數(shù)恒定時(shí)，隨著通道直徑比的增大，氣泡在分叉處更易于破裂。
　　在T型結(jié)構(gòu)微通道氣泡分叉流動(dòng)基礎(chǔ)上，本文又開展了氣泡在分形樹狀通道中的分又流動(dòng)行為研究。雖然分形樹狀通道由T型通道不斷分叉衍生而成，其基本單元結(jié)構(gòu)為T型結(jié)構(gòu)，但是，由于各級(jí)通道間的相互作用影響，氣泡在分叉處將出現(xiàn)與簡(jiǎn)單T型通道中不同的流動(dòng)特性。針對(duì)氣泡在分形樹狀通道中分叉流動(dòng)，研究了不

5、同毛細(xì)數(shù)下分形樹狀微通道各級(jí)分叉處氣泡的流動(dòng)行為與壓力波動(dòng)情況，取得了以下主要研究結(jié)論:
　　(1)氣泡分布密度是影響分形樹狀微通道分叉處氣泡破裂的重要因素。在相同入口氣泡長(zhǎng)度及相同毛細(xì)數(shù)條件下，氣泡分布密度較小時(shí)，隨著通道級(jí)數(shù)的增加，氣泡在分叉處越不易破裂，但對(duì)于氣泡分布密度較大時(shí)，在較高級(jí)通道中易出現(xiàn)聚并破裂。
　　(2)毛細(xì)數(shù)是影響分形結(jié)構(gòu)微通道分叉處壓力波動(dòng)的重要因素。在同一毛細(xì)數(shù)下，分叉結(jié)構(gòu)中心處壓力波動(dòng)隨著級(jí)數(shù)的

6、增加由周期性轉(zhuǎn)向無(wú)序，壓力波動(dòng)在第一、第二級(jí)分叉結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)周期性波動(dòng)規(guī)律，而在第三級(jí)中波動(dòng)較為復(fù)雜無(wú)序;在同一級(jí)中，壓力波動(dòng)隨著毛細(xì)數(shù)的減小而愈加混亂，這是因?yàn)?，毛?xì)數(shù)越小，黏性力越小，表面張力的作用效果越大，氣泡在分叉處更加不易于破裂，而是任意流入一子通道中，導(dǎo)致上下通道氣泡分布不均，其流動(dòng)呈現(xiàn)隨機(jī)性。
　　另外，本文還設(shè)計(jì)搭建了一套分叉結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用高速動(dòng)態(tài)攝像裝置實(shí)驗(yàn)研究分叉微通道中氣泡分叉流動(dòng)的不同流