微小槽道内光热效应致两相流动与传热特性研究

发布时间：2017-09-19 13:25

  本文关键词：微小槽道内光热效应致两相流动与传热特性研究

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【摘要】：微流控芯片能够把分析实验室的各种功能如混合、分离、提纯以及检测等集成到微小的芯片上,具有响应速度快、效率高、样品和试剂消耗量少、污染少、系统简单并可实现批量制造、降低成本等优点,在分析化学和生化等领域具有广阔的应用前景。近年来,结合了光学和微流控技术相融合形成了一门新兴交叉学科——光微流体技术。由于光和流体的作用方式很多,且光可以聚焦到微米甚至纳米尺度,所以光微流体技术可实现对流体运动的高灵敏度、精确和快速操作。而其中基于光热效应得光微流控技术可利用光热效应来直接驱动和控制微流体,系统简单且制造成本低,引起了人们的广发关注。但目前国内外对基于光热效应的光微流控技术研究还停留在装置的功能和原理的实现方面,对其中的机理及规律的认识还十分有限。因此,本文将针对基于光热效应的光微流控技术中两相流动和传热问题的物理本质特征,展开系统的研究,为新装置的优化和设计开发提供理论支撑。本文以光热效应致相变微泵中的物理过程的为研究对象,采用实验与数值模拟相结合的方法对其热物理过程进行层层深入的研究。首先,数值模拟了液柱与单液滴的聚合特性,探究了聚合行为作为驱动力来源的物理机制,并考察了不同壁面浸润性、通道形状、通道尺寸、液滴大小位置等因素的影响规律;接着采用可视化实验结合数值计算研究了微通道内液柱与多液滴聚合特性,考察了进出口压差以及微通道尺寸以及液滴总数、位置和排列方式对聚合特性的影响;然后针对微通道内光热效应致液柱蒸发现象分别进行瞬态和稳态研究,并重点考察蒸发过程中的热质传递特性;最后,对光热效应致相变驱动微流体运动进行系统的可视化实验研究。本文获得的主要结论如下:(1)对矩形和三角形亲憎水微通道内液柱在与单液滴聚合特性进行了数值模拟研究,发现在聚合过程中由于形成了曲率较大的汽液界面,使得正向毛细压力增大,液相内部压力降低,从而使液柱在聚合过程中速度增大。聚合速度增率的大小与聚合时液柱所受粘性阻力以及液滴形态相关,亲水通道内接触角越小,憎水通道内接触角越大,进出口压差越小,通道尺寸越小,液滴距离进口处越近、液滴比表面积越大则聚合速度增率越大;三角形通道内聚合效果小于矩形通道。(2)液柱与多液滴的聚合的可视化实验研究中,采用光热效应致液柱蒸发冷凝形成附着在壁面的液滴群,利用压力驱动型微流体进样系统驱动液柱与其发生聚合并检测液柱速度变化。研究发现在聚合过程中液柱汽液界面会在极短时间内连续发生较为剧烈的变化,液柱速度也在较短的时间内有一非常明显的峰值;且由于壁面憎水,液滴较大,会卷吸空气进入液柱内形成小气泡。虽然在重复实验中发现最终生成的液滴大小分布比较随机,但能获得较为一致的聚合速度增率。最后通过对液柱与不同排列方式的多液滴聚合行为的数值模拟研究发现液滴的排列方式对液柱速度影响不大。(3)针对激光光热效应致液柱稳态蒸发特性,采用高斯激光热源模型,不考虑界面变形以及气相蒸汽压力的变化进行了数值模拟研究。结果表明由于激光的非均匀加热特性使得蒸发伴随着较强的热毛细对流,大大增强了内部的换热系数;与憎水通道相比,由于亲水通道内汽液界面是内凹界面,热阻相对较小,导致界面温度较高,蒸发量较大,同时热毛细对流也越强,但由于两者界面上的不同方向上的温度梯度相对大小不同,使得亲水通道的液相内部形成的是两个左右对称的涡而憎水通道则是上下两个对称的涡;同时激光功率越大,蒸发量越大,热毛细对流越强烈,但对流涡的大小无明显变化;而针对不同激光加热位置,激光离界面越远,界面出温度越低,其蒸发量和热毛细对流强度也越小;激光光斑大小则对界面上的温度分布和蒸发速率均影响较小。(4)针对微通道内具有自由界面的连续液柱在激光加热过程中的动态蒸发特性,综合考虑界面附近的蒸气分压以及界面形态变化对蒸发特性的影响进行了数值模拟研究。结果表明当液柱静止时,虽然界面温度不断升高,但界面蒸发换热系数和界面传质系数均随着时间不断减小,液柱蒸发速率先减小后基本保持不变;界面上沿激光加热方向上温度梯度要远大于横向梯度;当液柱在通道中流动时,界面附近蒸汽传质以对流传质为主,蒸汽传质系数与液柱速度正相关,汽液界面温度随时间不断增大,界面传质系数和蒸发换热系数都是先增大后减小,速发速率最大值点即为液柱速度最大值点,且热毛细对流的产生增大了界面附近的压强,对液柱前进有抑制作用;相同时刻移动液柱的界面平均温度小于静止液柱,但其蒸发速率大于静止液柱。(5)对微通道内光热效应致相变驱动微流体运动进行系统的实验研究工作。采用了可视化实验手段和图像处理技术,研究了激光驱动液柱过程中液滴的冷凝形态变化及液柱运动速率。研究发现当激光加热位置不动时,随着界面向前运动,液柱速度会逐渐降低,然后当界面达到某一位置时,由于蒸发量减小,冷凝液滴变得稀疏且需要长大到一定尺寸才能与液柱聚合,使得速度开始震荡,液柱流动的最终位移与激光功率呈正比;当光斑位置随着界面迁移而迁移时,除了在加热初始阶段外,液滴分布形式不会随着界面迁移而改变,液柱驱动速度先升高后基本保持不变;当光斑距离界面越近,激光功率越大,液滴分布越密集,直径越小,同时驱动速度越大。
【关键词】：光微流体 光热效应 聚合特性 液柱蒸发 热毛细对流
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-12
• 1 绪论12-28
• 1.1 课题背景12-20
• 1.1.1 微流控芯片12-14
• 1.1.2 微流控技术简介14-16
• 1.1.3 光微流控技术16-20
• 1.2 光热效应微流控技术研究现状20-25
• 1.2.1 微通道内具有自由界面的汽液两相流动研究现状20-22
• 1.2.2 微通道内蒸发及界面传递研究现状22-25
• 1.3 主要研究工作25-28
• 1.3.1 已有研究不足25-26
• 1.3.2 主要研究内容26-27
• 1.3.3 主要创新点27-28
• 2 液柱与单液滴的聚合驱动微流体运动特性研究28-68
• 2.1 亲水矩形槽道内液柱与单液滴聚合特性数值模拟28-44
• 2.1.1 模型描述28-33
• 2.1.2 结果分析33-43
• 2.1.3 小结43-44
• 2.2 憎水矩形微通道内液柱与单液滴聚合特性数值模拟研究44-55
• 2.2.1 模型描述44-48
• 2.2.2 结果分析48-54
• 2.2.3 小结54-55
• 2.3 三角形微通道内的液柱与液滴聚合特性数值模拟研究55-67
• 2.3.1 物理模型55-57
• 2.3.2 理论分析57-58
• 2.3.3 结果分析58-66
• 2.3.4 小结66-67
• 2.4 本章小结67-68
• 3 液柱与多液滴聚合驱动微流体运动特性68-92
• 3.1 微通道中液柱与多液滴聚合可视化实验研究68-82
• 3.1.1 微通道制作过程68-71
• 3.1.2 实验系统71-73
• 3.1.3 实验结果及分析73-81
• 3.1.4 小结81-82
• 3.2 液柱与多液滴聚合特性的数值模拟研究82-89
• 3.2.1 物理模型82
• 3.2.2 模型验证82-83
• 3.2.3 结果分析83-89
• 3.3 本章小结89-92
• 4 光热效应致液柱稳态蒸发特性研究92-110
• 4.1 模型介绍92-96
• 4.1.1 物理模型92-94
• 4.1.2 控制方程94-95
• 4.1.3 网格以及模型验证95-96
• 4.2 结果与讨论96-108
• 4.2.1 亲憎水通道中传热传质分析96-101
• 4.2.2 激光功率的影响101-103
• 4.2.3 激光光斑位置的影响103-105
• 4.2.4 激光光斑大小的影响105-108
• 4.3 本章小结108-110
• 5 光热效应致液柱蒸发动态特性110-136
• 5.1 模型介绍110-114
• 5.1.1 物理模型110-111
• 5.1.2 控制方程111-113
• 5.1.3 网格以及模型验证113-114
• 5.2 静止液柱蒸发特性研究114-123
• 5.2.1 热质传递分析115-121
• 5.2.2 两相流动分析121-123
• 5.3 流动液柱蒸发特性研究123-134
• 5.3.1 热质传递分析124-130
• 5.3.2 两相流动分析130-134
• 5.4 本章小结134-136
• 6 光热效应致相变驱动液柱流动实验研究136-152
• 6.1 实验系统以及步骤136-139
• 6.1.1 实验装置及系统136-138
• 6.1.2 实验步骤138-139
• 6.2 固定光斑位置液柱运动特性139-145
• 6.2.1 液柱运动特性139-142
• 6.2.2 激光功率的影响142-145
• 6.3 移动光斑位置液柱运动特性145-150
• 6.3.1 不同激光功率下液柱的运动特性145-148
• 6.3.2 光斑位置的影响148-150
• 6.4 本章结论150-152
• 7 结论与展望152-154
• 7.1 全文总结152-153
• 7.2 后续工作展望153-154
• 致谢154-156
• 参考文献156-164
• 附录164
• A. 作者在攻读博士学位期间发表论文164-165
• B. 作者在攻读博士学位期间参加会议165
• C. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目165

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本文编号：881903