流动聚焦微通道内液滴在牛顿和非牛顿连续相中的生成实验及数值模拟

发布时间：2023-05-20 07:34

　　微流控液滴由于具有比表面积大、尺寸均匀和稳定易控等的优势,已经被广泛应用于生物医学、航空航天、能源利用和化学工程等各个领域。实现对液滴尺寸和生成频率等重要参数的精准控制对于各种工程应用都具有十分重要的意义。限制在微米尺度下的两相流动呈现出很多与宏观尺度下不一样的性质,如表面/界面张力和粘性剪切力等占主导地位。此外,工业和自然界中的众多流体如血液、蛋白质溶液和聚合物溶液等都呈现出复杂的非牛顿特性,且在微尺度下会更加显著。因此研究液滴在非牛顿流体中的生成机理是十分必要的,而当前相关研究尚不完善。为了研究液滴在非牛顿流体中的生成状况,本研究搭建了一套基于显微成像技术的微流控实验系统,观测了流动聚焦微通道内正癸烷微液滴在牛顿和非牛顿连续相中的生成现象。为了研究通道结构的影响,制作了 I型和II型两种不同结构的流动聚焦液滴生成装置。此外,本研究还采用开源CFD计算平台OpenFOAM中的interFoam求解器模拟了连续相流变参数对液滴生成的影响。实验观测表明,整个液滴生成过程可分为三个阶段,但是每个阶段内的形态变化会由于通道结构和连续相非牛顿特性的不同而有所区别。当连续相为牛顿流体时,液滴的尺...

【文章页数】：93 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 前言
    1.2 微流控液滴生成方式
        1.2.1 被动法液滴生成方式
        1.2.2 主动法液滴生成方式
    1.3 微通道内两相流动的相关无量纲参数
    1.4 液滴生成流型
    1.5 液滴生成影响因素
        1.5.1 两相流率
        1.5.2 流体属性
        1.5.3 壁面润湿特性
        1.5.4 通道结构
    1.6 非牛顿流体
    1.7 本研究的主要内容
        1.7.1 已有研究不足
        1.7.2 本文研究内容
第2章 微流控实验平台设计及搭建
    2.1 湿法刻蚀玻璃微芯片制作
        2.1.1 掩膜加工
        2.1.2 光刻
        2.1.3 键合
    2.2 可视化实验系统及操作流程
        2.2.1 流动驱动系统
        2.2.2 显微成像系统
        2.2.3 实验操作流程
    2.3 本章小结
第3章 OpenFOAM仿真平台
    3.1 OpenFOAM简介
        3.1.1 OpenFOAM算例基本文件格式
        3.1.2 计算域离散化
        3.1.3 数值求解及后处理
    3.2 InterFoam solver解析
    3.3 本章小结
第4章 液滴生成实验研究
    4.1 牛顿流体中微液滴生成
        4.1.1 液滴生成过程
        4.1.2 两相流率对液滴生成的影响
        4.1.3 液滴生成过程中参数关联
    4.2 非牛顿流体中液滴生成
        4.2.1 Ⅰ型结构内液滴生成
        4.2.2 Ⅱ型结构内液滴生成
    4.3 本章小结
第5章 幂律流体中液滴生成数值模拟研究
    5.1 模型构建
    5.2 模型验证
        5.2.1 VOF模型验证
        5.2.2 幂律流体模型验证
    5.3 幂律连续相中牛顿液滴生成
        5.3.1 幂律指数的影响
        5.3.2 稠度系数的影响
    5.4 幂律流体中液滴生成预测模型
    5.5 本章小结
第6章 结论及展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间发表的论文、参与的科研项目和获得的奖励
学位论文评阅及答辩情况表



本文编号：3820820