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粘弹性流体微尺度流动特性研究

李小斌  
【摘要】:随着现代制造技术和工艺向着微观领域的快速发展,研究者的注意力转向了潜力巨大的微纳尺度流动现象和微纳尺度元器件,尤其微电子-机械系统(MEMS)的发展,开辟了微小尺度流动与换热的新领域和新阶段。二十年来,国内外学者们对微流控开展大量的实验和模拟工作,不仅认识了许多奇特的微尺度流动现象,也开发了微尺度领域的新制造技术,例如软光刻技术。然而,对微观流动如微液滴生成和微纳连续流动,尤其在引入流体粘弹性后,仍然存在许多机理方面的问题需要解决。 目前,大多数微尺度流动控制的流体介质都使用牛顿流体,并已经取得很多成果;由于粘弹性流体普遍存在于日常生活中,如人体体液就是一个粘弹性流体和微尺度的环境,对粘弹性流体在微尺度环境中流动能使我们加深对生物流体行为的理解,并正确指导各种涉及流动混合、分子检测、试剂反应、气泡/液滴融合等的物理化学过程。另外,研究由流体弹性诱发的混沌流动能对惯性湍流中Batchelor流态下流场信息提供参考,并考察被动标量结构在流动混合中的演化,为混合的基本原理增加深刻认识。 本文针对微流控中液滴流动和连续流两个基本问题,从添加表面活性剂改变流体性质角度出发,进行了实验研究、数值模拟和理论分析。实验中首先对流体物性、表面性质和扩散特性等进行了测量,采用适合的流体搭配进行了牛顿流体和粘弹性流体的液滴生成实验,并用不同浓度的粘弹性流体在四种不同的微通道中进行了流动混合实验。为了佐证实验并理解实验无法获得的细节信息,利用数值模拟方法对牛顿流体液滴生成进行了研究,主要关注于T型微通道入口附近的压力和速度变化,并引入润滑理论对液滴脱离前绕液滴的压力变化进行了分析,强调了液滴生成中的各种作用力相互关系。最后利用直接数值模拟(DNS)对弯曲通道内流体混合中的标量结构进行了研究。 在微液滴的生成研究中,分别分析了牛顿流体-牛顿流体系统和牛顿流体-粘弹性流体系统。在牛顿流体液滴的发生形态上,实验和数值模拟都发现了四种不同的流动模式,前三种对应于被很好定义的推挤(Squeezing)、滴落(Dripping)和射流(Jetting)模式,发现第四种平行流态是射流模式的发展,主要发生原因是毛细不稳定性。通过分析液滴头部的几何参数,分析了液滴在Squeezing和Dripping这两种较稳定模式下体积增长和流场、压力变化的关系。数值模拟的结果给出了T型口附近局部压力和速度变化,和润滑分析对液滴内循环的结果一起,发现微通道内液滴串的存在使得流动的压力降大大增加。对于粘弹性流体液滴生成,在常规界面张力条件下研究了液滴融合条件、韧带拉伸和Hencky应变,发现韧带拉伸具有线性拉伸区近似线性快速拉伸区两个过程;在超低界面张力的条件下,发现了液滴生成的一种新模式——液滴破碎,并对液滴破碎的动力学特征过程(锥角形成)、弹性作用过程(韧带抽出并拉伸)和界面不稳定性过程(毛细不稳定性)三个过程进行了分析。 在粘弹性流体连续流动对标量混合研究中,通过统计矩的计算分析了粘弹性流体Batchelor流态下混合速度和混合时间,发现各阶矩皆呈现指数形式的衰减;基于标量能谱在波数空间的衰减情况和标量结构函数的分析,发现了标量在大尺度上的“猝发”现象,这种猝发现象是由于近壁层的拉伸带向主流抛射引起的,而内在的间歇性来自于标量运动本身。由DNS分析可知,流场的变形率张量和柔性分子变形率张量是弱相关的,这主要是由于弯曲的几何结构决定的。柔性分子的拉伸通过诱发横截面内的二次流运动促进混合效果,并不断改变着标量梯度结构。


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