光诱导微纳米流体液滴内的颗粒群运动特性研究
发布时间：2022-01-23 15:38
微流控是一种精确操控微尺度流体的技术,利用光操纵微液滴运动及诱导微液滴内粒子的输运是微流控系统驱动的一种新模式,具有非接触操控、波长和功率易调节、时空分辨率高等优势,在微尺度传质、传热、微混合及水体监测等领域有着广泛的应用前景。光操控技术,可以借助:（1）直接光学力（光辐射压和光镊）;（2）光调制的电驱动（光电湿润和光控电渗流）;（3）光诱导的毛细力（润湿性梯度和Marangoni效应）实现光能向液体动能的转换。其中,光诱导的毛细力作用与前两种相比,此种转换方式既不需要特殊的光学设备也没有复杂的微加工步骤。但是,润湿性梯度产生的毛细力很小,光照时微液滴接触角的变化比较微弱,很难克服界面张力作用,所以只有极个别的液体可以在微通道中运动,而且还存在空间限制、位移距离短、速度慢等不足。目前,国内外学者关于光操控微液滴运动及诱导微液滴内粒子的输运的研究大都基于实验观测,有关这几种不同形式力作用下的理论和模拟研究,只有单一作用力下的光驱力学模型,缺少统一的力学模型和解析求解方法。因而很难研究多种形式共同作用下的光诱导液滴运动行为。因此,需要建立相应的力学模型和解析求解方法可对不同形式作用力下的光...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）光操纵液滴的有效转化途径[36];（b）高斯强度分布的激光光斑中的
西安建筑科技大学硕士学位论文5图1.2光电润湿(OEW)装置上的液滴驱动示意图[36]1.2.2光诱导微颗粒运动的研究现状光驱动的液滴操纵技术一般基于以下几个基本作用[36]:（1）直接光辐射力;（2）光电;（3）光热;（4）光化学。利用光操纵颗粒具有无接触操纵和无机械损伤的特点，下面主要介绍在这几种方式下光操纵或诱导颗粒运动的相关实验和理论模拟研究进展。首先介绍的是，基于直接光学力作用的单颗粒的操纵技术。1970年，Ashkin[49]通过理论计算认为几个微米的粒子可以被聚焦的激光束推动，并用聚焦的氩离子激光成功实现了悬浮在水中的透明胶粒（直径0.6-2.5μm）沿着光轴方向加速运动。在光与微粒相互作用实验的基础上，并于1986年首次提出利用单光束梯度力阱（即光镊）俘获和操纵颗粒运动，其本质是基于光辐射压力和散射力相互作用形成的势阱[24]，利用具有高斯分布的聚焦激光束产生大梯度力，形成三维势阱，进而捕获微小粒子。Knner首次定量地测量了由光镊驱动的微颗粒运动引起的流体速度场[50]。光学涡旋陷阱使用的不是高斯分布的光束，而是在焦点处有暗核的光束分布，这样可以实现低折射率粒子的捕获。其中有关光镊理论的描述主要有两种解释：1）对于直径远大于10倍波长的颗粒，属于米氏粒子（MieParticle），可用几何光学的方法计算光力；2）对于直径小于光波长的颗粒，为瑞利粒子（RayleighParticle），颗粒可简化成偶极子近似，并用瑞利散射的理论进行近似计算，即瑞利近似或偶极子近似。对于直径与波长相当的颗粒，将其看成电磁散射问题处理，并通过数值计算求解[51,52]。此后，关于利用光辐射压力操纵颗粒运动的研究得到很好的发展。
西安建筑科技大学硕士学位论文8本理论以及Marangoni对流的相关内容和图像处理的基本原理；随后，第三、四章分别介绍了如下内容：光诱导微纳米级颗粒的运动实验研究首先，通过配置有高速CCD的显微镜观测不同光源下的颗粒的运动行为，用高速CCD记录颗粒的运动，在PIVlab中对图像进行处理即可获得不同光源下的颗粒的运动轨迹、运动速度等信息，对ZnIn2S4颗粒通过改变溶液的pH以及加入不同盐溶液，然后测量这些参数对颗粒Zeta电位的影响，同时使用红外相机可检测到液滴表面的温度分布。光诱导微纳米颗粒运动的理论及数值模拟研究针对两种颗粒的不同的光诱导颗粒运动行为分别建立与之对应的物理模型，并分别采用解析求解和数值模拟的方法，定量验证模型的正确性，并进一步讨论相关参数的选取对模型求解的重要性。第五章则对理论模型做进一步的拓展分析，定量研究了三种等效作用力驱动颗粒运动模式的一致性，并讨论不同作用力叠加后的驱动模式。最后，第六章对所进行的研究工作做了简要的总结，并对后续可以进行的相关研究工作做了进一步的展望。本文研究所采用的技术路线如图1.3所示。图1.3本文研究技术路线图
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米流体液滴内的光驱流动实验及其解析解[J]. 刘哲,王雷磊,时朋朋,崔海航. 物理学报. 2020(06)
[2]自驱动微纳马达在水环境领域的研究进展[J]. 王雷磊,崔海航,张静,郑旭. 中国科学:化学. 2017(01)
[3]微流控芯片在水环境污染分析中的应用[J]. 王虎,魏俊峰,郑国侠. 应用生态学报. 2014(04)
[4]表面活性剂溶液润湿性质的实验研究进展[J]. 叶学民,王欢,马少栋,李春曦. 华北电力大学学报(自然科学版). 2011(03)
[5]边界耦合的Marangoni对流边界层问题的近似解析解[J]. 张艳,郑连存,张欣欣. 物理学报. 2009(08)
[6]Micro-PIV技术-粒子图像测速技术的新进展[J]. 王昊利,王元. 力学进展. 2005(01)
[7]Marangoni效应与液膜振荡[J]. 李冬梅,贺占博. 化学进展. 2003(01)
[8]水的表面张力与温度的关系[J]. 汤传义. 安庆师范学院学报(自然科学版). 2000(01)
[9]固体表面熔池内Marangoni流动产生的小扰动分析[J]. 彭晓峰,林雪萍,王补宣. 工程热物理学报. 1998(06)
硕士论文
[1]液膜流动Marangoni效应边界层解析理论研究[D]. 祁术娟.北京建筑大学 2014
[2]W/O液滴绕微柱阵列运动的数值模拟研究[D]. 许琳.西安建筑科技大学 2013
[3]平面曲管Stokes流问题中的哈密顿体系方法[D]. 李冠军.大连理工大学 2009
本文编号：3604655
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）光操纵液滴的有效转化途径[36];（b）高斯强度分布的激光光斑中的
西安建筑科技大学硕士学位论文5图1.2光电润湿(OEW)装置上的液滴驱动示意图[36]1.2.2光诱导微颗粒运动的研究现状光驱动的液滴操纵技术一般基于以下几个基本作用[36]:（1）直接光辐射力;（2）光电;（3）光热;（4）光化学。利用光操纵颗粒具有无接触操纵和无机械损伤的特点，下面主要介绍在这几种方式下光操纵或诱导颗粒运动的相关实验和理论模拟研究进展。首先介绍的是，基于直接光学力作用的单颗粒的操纵技术。1970年，Ashkin[49]通过理论计算认为几个微米的粒子可以被聚焦的激光束推动，并用聚焦的氩离子激光成功实现了悬浮在水中的透明胶粒（直径0.6-2.5μm）沿着光轴方向加速运动。在光与微粒相互作用实验的基础上，并于1986年首次提出利用单光束梯度力阱（即光镊）俘获和操纵颗粒运动，其本质是基于光辐射压力和散射力相互作用形成的势阱[24]，利用具有高斯分布的聚焦激光束产生大梯度力，形成三维势阱，进而捕获微小粒子。Knner首次定量地测量了由光镊驱动的微颗粒运动引起的流体速度场[50]。光学涡旋陷阱使用的不是高斯分布的光束，而是在焦点处有暗核的光束分布，这样可以实现低折射率粒子的捕获。其中有关光镊理论的描述主要有两种解释：1）对于直径远大于10倍波长的颗粒，属于米氏粒子（MieParticle），可用几何光学的方法计算光力；2）对于直径小于光波长的颗粒，为瑞利粒子（RayleighParticle），颗粒可简化成偶极子近似，并用瑞利散射的理论进行近似计算，即瑞利近似或偶极子近似。对于直径与波长相当的颗粒，将其看成电磁散射问题处理，并通过数值计算求解[51,52]。此后，关于利用光辐射压力操纵颗粒运动的研究得到很好的发展。
西安建筑科技大学硕士学位论文8本理论以及Marangoni对流的相关内容和图像处理的基本原理；随后，第三、四章分别介绍了如下内容：光诱导微纳米级颗粒的运动实验研究首先，通过配置有高速CCD的显微镜观测不同光源下的颗粒的运动行为，用高速CCD记录颗粒的运动，在PIVlab中对图像进行处理即可获得不同光源下的颗粒的运动轨迹、运动速度等信息，对ZnIn2S4颗粒通过改变溶液的pH以及加入不同盐溶液，然后测量这些参数对颗粒Zeta电位的影响，同时使用红外相机可检测到液滴表面的温度分布。光诱导微纳米颗粒运动的理论及数值模拟研究针对两种颗粒的不同的光诱导颗粒运动行为分别建立与之对应的物理模型，并分别采用解析求解和数值模拟的方法，定量验证模型的正确性，并进一步讨论相关参数的选取对模型求解的重要性。第五章则对理论模型做进一步的拓展分析，定量研究了三种等效作用力驱动颗粒运动模式的一致性，并讨论不同作用力叠加后的驱动模式。最后，第六章对所进行的研究工作做了简要的总结，并对后续可以进行的相关研究工作做了进一步的展望。本文研究所采用的技术路线如图1.3所示。图1.3本文研究技术路线图
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米流体液滴内的光驱流动实验及其解析解[J]. 刘哲,王雷磊,时朋朋,崔海航. 物理学报. 2020(06)
[2]自驱动微纳马达在水环境领域的研究进展[J]. 王雷磊,崔海航,张静,郑旭. 中国科学:化学. 2017(01)
[3]微流控芯片在水环境污染分析中的应用[J]. 王虎,魏俊峰,郑国侠. 应用生态学报. 2014(04)
[4]表面活性剂溶液润湿性质的实验研究进展[J]. 叶学民,王欢,马少栋,李春曦. 华北电力大学学报(自然科学版). 2011(03)
[5]边界耦合的Marangoni对流边界层问题的近似解析解[J]. 张艳,郑连存,张欣欣. 物理学报. 2009(08)
[6]Micro-PIV技术-粒子图像测速技术的新进展[J]. 王昊利,王元. 力学进展. 2005(01)
[7]Marangoni效应与液膜振荡[J]. 李冬梅,贺占博. 化学进展. 2003(01)
[8]水的表面张力与温度的关系[J]. 汤传义. 安庆师范学院学报(自然科学版). 2000(01)
[9]固体表面熔池内Marangoni流动产生的小扰动分析[J]. 彭晓峰,林雪萍,王补宣. 工程热物理学报. 1998(06)
硕士论文
[1]液膜流动Marangoni效应边界层解析理论研究[D]. 祁术娟.北京建筑大学 2014
[2]W/O液滴绕微柱阵列运动的数值模拟研究[D]. 许琳.西安建筑科技大学 2013
[3]平面曲管Stokes流问题中的哈密顿体系方法[D]. 李冠军.大连理工大学 2009
本文编号：3604655
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