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微尺度下外部激励对粘弹性流体拉伸流动弹性不稳定性的影响研究

张梦  
【摘要】:微流控技术广泛用于化学、医疗以及生命科学等交叉学科中。微流体作为运输介质多数为非牛顿流体,如用于生物实验的组织体液和化学反应中的高分子聚合物溶液等。高分子聚丙烯酰胺水溶液作为粘弹性流体的典型代表可表现出与牛顿流体完全不同的流动特性。在微尺度下由于其内部显著的弹性应力,在外部激励或流体拉伸作用下呈现出特有的弹性不稳定性,如随时间波动或流场的空间对称破缺等特征。因此,研究粘弹性流体在微尺度下的不稳定现象有实际的应用意义并为解决微尺度下弹性作用等基础物理问题提供实验依据。通过实验观察流场迹线和数值模拟分析的方法,研究分析在不同边界条件下微尺度粘弹性流体的时间不稳定以及空间不稳定现象及规律。首先,为实验测量观察微尺度下粘弹性流体的流动,制备微米级宽度微尺度通道芯片。将传统的光学光刻技术和软材料刻蚀技术相结合,并搭建对流体有效操控的微流控测试系统平台。另外,采用传统旋转流变仪以及微流变学测量方法对实验溶液体系进行表征,包括甘油水溶液和聚丙烯酰胺水溶液。传统流变仪低频的测量结果与微流变学在高频振荡下的模量测量结果互为补充。在传统流变仪测量中,测量流体的速度与压力,分析粘性和弹性等物性参数,并得到聚丙烯酰胺水溶液的剪切稀变和弹性模量等粘弹性流体的特有流变学属性。其次,基于开源软件OpenFOAM在Oldroyd-B模型上建立适用于计算高维森贝格数的粘弹性流体数值求解器,并在该求解器中引入对粘弹性流体的外部驱动力(Body Force)。数值模拟分析了在外部力场的激励下粘弹性流体在泊肃叶流动边界条件中随时间的不稳定响应。通过改变外部力场的幅值、加载时间和波动周期来控制流体的不稳定性并拟合了瞬时速度响应曲线得到各参数关联公式。在恒力作用下粘弹性流体表现为欠阻尼振荡的不稳定性。在卸载力作用下形成的平台效应发生在流体振荡前1/4周期。对不恒定流速的傅里叶变换分析了粘弹性流体在不同激励下的振荡频率。振荡频率与粘弹性流体固有频率相同时可发生谐振,此时速度响应曲线的频谱呈现单一频率,且振幅最高。通过该方法可得到流体固有弹性属性即松弛时间。再次,通过不同的微通道结构设计在实验中实现了粘弹性流体不稳定性的调控。流体在非直线型通道中往往形成具有速度梯度场的拉伸流,并对粘弹性流体中的聚合物产生拉伸和松弛作用,从而诱发流体的弹性不稳定性。研究对比了在标准十字通道、预拉伸十字通道和非对称预拉伸通道中粘弹性流体的不稳定性。实验发现在不同的维森贝格数以及不同对称性的结构中,可以形成对称稳定态、不对称双稳态以及不稳定状态的粘弹性流场。在不同状态中,流场的对称性和流体的流出通道的偏向性发生改变。最后,选用预拉伸以及突扩结构变化的T型拉伸结构结合外部激励周期的调制进行对混合效果的研究,提出衡量混合效果的混合参数的定义和计算方法。结果表明在牛顿流体在频率扰动下抑制混合,粘弹性流体在高频下可以增强混合效果。比较了不同流动边界条件以及T型通道尺寸参数对混合的影响。在标准T型的基础上设计多种模型,对比Neck颈部汇合段长度的影响以及出口混合腔宽度的影响。通过对比发现,经过Neck颈部较长的条件下可以得到更均匀的混合效果,说明该段的预拉伸作用起到了关键影响作用。双侧周期振荡入口受相位差的影响非常大,相位差为π时混合效率最高。综上所述,通过数值计算和实验测量分析粘弹性流体在微尺度下的不稳定现象发生规律,并验证了通过优化微通道结构和改变流体激励,可以灵活调控和促进不稳定现象发生的临界条件。基于不稳定性的调控,可以实现诸如微混合器、存储器和信号传感器等多种微流器件。


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