基于T型通道剪切法微液滴形成机制的CFD数值模拟

发布时间：2017-05-15 20:08

  本文关键词：基于T型通道剪切法微液滴形成机制的CFD数值模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微流控技术是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。目前,微流控技术在生物医学、材料合成、药物筛选等领域具有广泛的应用前景。微液滴技术是微流控技术的一个重要分支,近年来,利用微流控芯片制备离散化的微液滴因其具有单分散性好、均一化程度高、尺寸精确可控等优点,受到了越来越多的关注。T型微通道法是制备微液滴最为常用的方法,但T型微通道产生微液滴的产生机理研究还比较少,研究进展缓慢,没有统一的理论模型,目前主要集中在实验研究阶段。数值模拟是一种有效的研究方法,通过数值模拟(CFD)技术,对微米量级的微流控芯片中T型微通道中微液滴的形成过程进行数值模拟,揭示微尺度下微液滴的形成规律,为微液滴在微生化分析等领域的应用提供理论依据,对丰富微液滴技术,拓宽微流体理论体系,将具有十分重要的意义。本文针对两相流动的特点,从实际应用需求出发,建立了微液滴形成过程的理论方程：VOF方程和流动控制方程。对已建立好的数学模型进行求解,完成了微液滴形成过程的数值模拟实验。该方法克服了传统实验研究的局限性,可以系统的分析相关参数对微液滴形成造成的影响。为考察不同参数对微液滴大小的影响,通过图像处理方法对微液滴的大小进行计算,采用位图转换处理及MATLAB工具进行了尺寸解析。本文首先将图片进行位图处理,然后将其导入Matlab,建立了像素点矩阵,利用RGB值对油相、水相和其它像素点进行了区分,采用k-means算法对独立的液滴进行了分类,最后通过程序计算出液滴的大小。通过仿真分析,得出了通道壁面对液滴形成的影响规律,研究表明通道壁的润湿性对微液滴形成存在着一定的影响,通道壁疏离散相时,才有可能形成微液滴,且接触角的改变对微液滴的大小影响不大。本文进一步得出连续相黏度、速度对液滴大小的影响规律,当连续相的黏度增大时,所形成的液滴大小会减小；当连续相的速度增大时,所形成的液滴大小会减小；最后得出两相之间界面张力对液滴大小的影响规律,当两相之间的界面张力增大时,所形成的液滴大小会增大,论证了液滴大小随着毛细数的增大而减小,当毛细数达到特定的值时,微液滴将不再产生。为了进一步探寻剪切力对液滴形成的影响规律,本文设计了多通道微压力检测系统。系统采用MEMS微压力传感器MPXV7002对PMMA微流控芯片各流体通道内的压力进行了多节点测量,采用外引硅胶管连接方法对微压力传感器在微通道不同节点进行了安装；对压力数据进行了滤波和平滑处理。进行了多节点压力测试实验,对实验数据进行了分析,进行了系统标定和误差分析,实验结果表明,系统具有较高的测试精度。本文对微液滴产生进行了实验研究。实验表明,微液滴大小与连续相黏度、连续相速度、界面张力、微管道尺寸,管道壁面特性等参数有关,实验结果与CFD数值模拟得到的结论相同,具有良好的一致性,验证了CFD数值模拟的正确性,CFD数值模拟将对微流控微液滴的形成理论具有良好的指导意义。
【关键词】：微流控 微液滴 T型通道 CFD数值模拟 k-means 微压力
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 1 绪论15-23
• 1.1 微液滴技术简介15-16
• 1.2 微流控芯片中微液滴制备的研究现状16-17
• 1.3 T型通道法微液滴制备的机理研究现状17-19
• 1.4 T型通道法微液滴制备的CFD模拟研究现状19-20
• 1.5 研究目的及意义20
• 1.6 研究内容20-21
• 1.7 论文结构21
• 1.8 本章小结21-23
• 2 CFD技术与微液滴生成的求解模型23-35
• 2.1 CFD技术介绍23
• 2.2 VOF模型23-27
• 2.2.1 VOF模型中自由界面的定义及控制方程24-26
• 2.2.2 VOF模型在CFD中的应用方法26-27
• 2.3 流体控制方程27-33
• 2.3.1 质量守恒方程27-28
• 2.3.2 Navier-Stokes方程28-32
• 2.3.3 能量守恒方程32-33
• 2.4 本章小结33-35
• 3 微液滴形成过程的CFD研究方法35-45
• 3.1 微通道设计及网格划分35-37
• 3.1.1 微通道设计35-36
• 3.1.2 划分网格及边界类型设定36-37
• 3.2 Fluent求解过程37-38
• 3.3 实验图像处理38-44
• 3.3.1 图像输出39-40
• 3.3.2 图像处理40
• 3.3.3 液滴大小的表征40-44
• 3.4 本章小结44-45
• 4 微压力检测系统设计45-63
• 4.1 数据处理滤波算法45-49
• 4.1.1 卡尔曼滤波算法46-47
• 4.1.2 卡尔曼滤波算法的数值模拟47-49
• 4.2 微压力检测系统的硬件结构49-55
• 4.2.1 MCU49-50
• 4.2.2 复位电路50
• 4.2.3 电源50-51
• 4.2.4 USB串口51
• 4.2.5 BOOT51-52
• 4.2.6 系统电源指示灯52
• 4.2.7 压力检测模块52-53
• 4.2.8 人机交互模块53-55
• 4.3 微压力检测系统的误差补偿55-59
• 4.4 微压力检测系统的标定59-60
• 4.5 系统运行测试60-61
• 4.6 本章小结61-63
• 5 微液滴形成机制的CFD模拟63-79
• 5.1 VOF模型的准确性验证64
• 5.2 微通道润湿性的影响64-66
• 5.3 连续相流速的影响66-68
• 5.4 连续相黏度的影响68-70
• 5.5 两相间界面张力的影响70-71
• 5.6 通道宽度的影响71-72
• 5.7 通道入口压力的影响72
• 5.8 微液滴生成规律的实验研究72-77
• 5.8.1 液相等速变化对液滴的影响73-74
• 5.8.2 液相非等速变化对液滴的影响74-75
• 5.8.3 芯片通道尺寸对液滴制备的影响75-76
• 5.8.4 微液滴制备的规律计算分析76-77
• 5.9 本章小结77-79
• 结论与展望79-81
• 参考文献81-85
• 致谢85-87
• 作者简介及读研期间主要科研成果87

【参考文献】

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