功能润湿梯度表面微通道内液滴运动数值模拟与分析研究

发布时间：2020-04-05 06:34

【摘要】：润湿梯度驱动液滴自运动现象在生物医学、污染检测、强化传热和石油化工等领域普遍存在,掌握液滴自输运过程中铺展、收缩或扰动等行为特征和规律,对实际应用具有重要指导意义。本文首先借助COMSOL Multiphysics软件并采用改进的水平集方法模拟了液滴在不同微通道内的动力学行为,从接触角形式、润湿梯度、润湿特性、通道尺寸、工质种类以及液滴数量等角度出发,分析并给出了液滴自运动过程中位移、速度及涡量等动态演化规律,系统展示了不同条件下液滴动力特性变化。同时,为对仿真模拟进行验证,从力学和能量角度对固体表面液滴自驱动行为建立了数学模型,进而引出对平行微通道内液滴自驱动机理的详细分析和讨论,通过与理论分析结果的比较,部分验证了数值模拟的准确性,对一些相关研究具有很好的指导意义。主要工作和结论如下:(1)借助COMSOL软件,对液滴在润湿接触角110°~101°线性减小的微通道内的运动行为进行了数值模拟,发现液滴在润湿梯度微通道内能够实现从低润湿向高润湿区域的自运动。液滴呈现收缩和铺展交替出现的前进状态,并经历了先加速后趋于平稳的运动过程,速度存在局部波动,液滴通过区域会形成大量涡旋,三相接触线位置附近的涡旋现象最为显著,并发现上、下侧润湿壁的涡旋分布存在差异,可能主要是由重力作用引起的。(2)分别引入描述通道表面梯度润湿形式的线性连续方程、指数方程以及阶梯润湿方程,对液滴在具有相同润湿梯度表面微通道内的动态行为进行了数值模拟。分析比较这三种润湿形式下模拟结果的差异,发现液滴的动态行为受润湿梯度和梯度润湿形式的共同作用和影响,总结了对液滴自驱动运动最为有利的梯度表面润湿形式,为后续进一步研究微通道内液滴自运动行为提供了参考。(3)对液滴在不同润湿梯度、润湿特性、通道尺寸、工质种类及液滴数量的微通道进行了数值模拟研究,并对模拟结果进行分析比较,发现较大的润湿梯度和较小的初始接触角更利于液滴的运动,能有效地增大液滴速度和动能。当润湿梯度由3.5-10°/mm变化时,液滴速度变化可在几厘米每秒至几十厘米每秒范围;此外,通道宽度(75,120和180μm)也对液滴的运动行为产生重要的影响,发现随着通道宽度增大,由于流动阻力减小,液滴速度显著增大。通过对水、甲醇和乙醇三种工质的模拟结果比较,发现三者速度关系满足V_水V_(甲醇)V_(乙醇),这主要由表面张力和粘性阻力的比值决定,表面张力占比越大的工质液滴运动越快。通过对单液滴、双液滴和三液滴的模拟结果比较,发现增加液滴数量对液滴自运动具有促进作用,主要是由于液滴运动过程中的相互作用会增强对速度场的扰动,削弱运动阻力影响,同时由于液滴通过区域的壁面被润湿,有效减小了粘性阻力影响。(4)建立了液滴在梯度润湿平行微通道内自驱动运动的数学模型,并借助MATLAB软件获得了模型计算结果,并分析了其在微通道内的自驱动机理。通过与数值模拟结果的比较,发现模型计算结果与数值模拟结果吻合较好,验证了数值仿真的可靠性和合理性。
【图文】：

单板,电介质,液滴,电绝缘体

在两个带有图案化电极的平行基底之间，，而单板设计则将液滴另外，双板设计分别在顶板和底板上具有接地和致动电极，而容纳两个电极。在这两种情况下，液滴直接位于介电层顶部的疏当电绝缘体，从而可以防止液滴的水解。通常由于双板设计能如分配、移动、分离和合并等，使其更受欢迎；但是当需要荧更为有利[32]。EWOD 结构的制造由标准 MEMS 工艺完成，包等，一方面这些工艺过程不仅耗时而且对精度要求很高，另一高，导致 EWOD 方法未被广泛使用。

示意图,滑移长度,接触角,润湿特性

(a) (b)图 2.1 接触角示意图(a)；滑移长度示意图(b)Figure 2.1 Schematic diagram of contact angle (a) and slip length (b)面润湿特性面润湿特性与接触角大小呈负相关，接触角越大，表面能越低，则壁面
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK12

【参考文献】