微凹槽内液滴流场特性的Micro-PIV实验研究

发布时间：2024-03-30 16:12

　　液滴已成为微流控技术的重要研究内容。为了精确调控液滴内的微环境,利用微通道矩形长凹槽生成并封裹液滴,并开展了液滴内部流场特性的显微粒子图像测速(Micro-PIV)实验,研究了雷诺数(Re)对液滴形貌、流场速度矢量场特性和剪应力分布的影响。结果表明,当Re=11.1时,液滴内部出现了一个涡胞结构;当Re=33.3时,液滴中心处的流速达到最大值,约为10μm/s。然而,当Re=44.4时,涡胞消失,平均流速降低。同时,液滴尺寸随Re增加而减小。此外,Re对液滴内部剪应力变化无明显影响,剪应力平均值极低(<1.5×10^-4Pa)。

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【部分图文】：

图1实验系统

采用葵花油（密度ρ=0.918g/cm3，黏度μ=46mPa·s，表面张力γ=26.3mN/m）作为连续相，去离子水（密度ρ=0.998g/cm3，黏度μw=1mPa·s，表面张力γw=72.8mN/m）作为离散相。连续相和离散相在PDMS表面的接触角分别为50.5°和98.7°....

图2不同Re下长凹槽内液滴的形貌变化

推测上述现象的产生是由于PDMS芯片的可变形性所导致的[19]。当Re较大时，微通道内部压力升高，导致微凹槽在深度方向发生扩张。从图2中还可以发现，随着Re从11.1增大到33.3，液滴轮廓线形貌逐渐变宽，颜色变深，证明了液滴在深度z方向尺寸逐渐增加。此外，液滴下侧界面形貌是由连....

图3Micro-PIV测量的不同Re下液滴内部流线图及速度云图

为得到液滴内部流场在x和y方向的速度分布变化情况，提取了液滴内部x和y方向的速度云图，分别如图4(a）和（b）所示。图4(a）结果表明，除了液滴与连续相接触界面位置附近，液滴内部流场在x方向的速度分布与图3中总速度分布趋势大致相似，但x方向速度梯度比总速度梯度小，x方向速度相对更....

图4Micro-PIV测量的不同Re下液滴内部x和y方向的流场及速度云图

图3Micro-PIV测量的不同Re下液滴内部流线图及速度云图提取了液滴内部涡心竖线位置的速度值，如图5所示。当Re=16.7和22.2时，液滴内部平均流速随Re的增大而增大；Re=33.3时，液滴内部平均流速达到最大值，约为10μm/s;Re=44.4和55.5时，液滴内部平....

本文编号：3942607