基于声表面波的微流体雾化机理与实验研究

【摘要】：作为一种高频的声波雾化新方法,声表面波雾化器因其结构紧凑,轻巧,低输入功率要求及高频激励等优点使其成为生物工程与吸入治疗这些对雾化颗粒的单分散性与连续性要求较高的应用中的理想构件。尽管对雾化的机制已经有大量实验对其进行探究,但由于在微小的尺度上非常不便于对声波的衍射及声能在液体中的转换等复杂的流体动力学现象进行观察,使得科学地描述整个雾化现象变得及其困难。因此,本文将尝试使用基本的实验方法对声表面波雾化的机理进行合理的解释与探究。首先,将对声表面波雾化器的工作原理进行分析,并详细地介绍加工雾化器的整个工艺过程。通过对雾化器加工工艺的分析,针对本实验对雾化器的具体要求,本实验使用UV光刻技术在Y切X 128.68°方向的铌酸锂基底上加工出用于雾化的激励器。同时搭建了相应实验平台用于声表面波雾化实验。整个雾化实验过程都由高速摄像机进行记录现象并使用激光粒度仪分析雾化粒度分布。实验中不同液滴的反应过程根据输入功率进行分类,并确定了能够产生雾化效果的最低输入功率。通过对雾化粒度的分析,揭露了通过声表面波雾化产生的“三峰”现象的粒度分布特点,并尝试提供详尽的理论对该现象背后的机制进行解释。实验结果表明,Eckart声流与Schlichting声流作用于雾化过程中不同的阶段,并会产生粒度直径不同的液滴。而由一种声流向另外一种声流的转变通常是由高长比(H/L)得到的。传统的对雾化粒度直径预测的公式与本实验采用的粒度直径预测公式进行对比,经过比较后发现将表面张力波频率以及雾化液滴的特征尺寸考虑在内的公式可以给出与实验结果更为相符的预测结果。最后,为了产生单分散性更好,质量更高的雾化液滴,采用了基于纸条供流的雾化方案作为静滴供流法方案的改进,并与静滴法的雾化实验结果进行对比。该雾化方法获得了良好的雾化效果,并发现该方法可以显著减少采用静滴法时产生的大尺寸的液滴,同时雾化的液滴粒度分布中心将聚集在1μm左右。这也从侧面验证了高长比是决定声流机制转换中的一个关键因数。