微通道内油-水两相流液滴生成研究

摘要

随着微流控技术的发展，精确操控微液滴生成过程已成为液滴微流控研究的重点。本文建立流动聚焦微通道内油-水两相液滴生成模型，搭建实验台对流动聚焦微通道内液滴生成过程进行实验研究。主要研究内容如下：　　本文首先构建了油-水两相流动数值模型，采用Level Set方法追踪两相界面流动变化特性，模拟了不同微通道结构、孔颈宽度、流动参数下的液-液两相流的界面流动特性，分析其对液滴生成的影响。结果表明，液滴直径随连续相与离散相液体交汇处的孔颈尺寸的增大而变大，最大增幅为86.7%。分散相入口尺寸增大时，所生成液滴的直径也随之变大，直径最大可变为原来的两倍，且液滴发生断裂位置越靠近分散相入口。分散相与连续相流速比越小，液滴直径随之线性减小，液滴生成频率变大。　　其次，本文通过对微通道外部施加非接触电极，数值研究了电场作用下微液滴的生成过程。通过改变电场强度、频率以及波形变化等方式观测微通道内两相液体的流动状态以及液滴的生成、流型状态，由此研究微通道内两相流过程中的流电耦合作用下两相流的流动特性。数值结果显示直流电场可以有效控制液滴直径变小，液滴生成直径减幅可达54%。而在施加交流电场时，电场频率可以增大微通道内两相流中两相液体之间的挤压作用，从而使液滴生成直径变小，液滴生成直径减幅可达32.4%。此外，改变电极的接电状态，改变电场方向可能使得液滴无法正常生成，在外加电场过程中过高的电压和频率会产生液滴破碎、生成卫星液滴、偏离位置以及贴近壁面等问题。模拟数据与实验结果基本一致，直流电场作用平均误差为9.6%，交流电场作用平均误差为7.85%。　　最后，本文针对电场控制下微通道内液滴生成的不稳定性进行了观测分析，并将其划分了六种不稳定流动类型。产生不稳定流动的电场主要为交流电场场强和频率较高部分。在微通道实验中存在许多干扰因素，实验中发生不稳定流型所需要的电压和电场频率比模拟中所需的电场强度和频率总体偏大。本文的研究结果对于微流控技术的工程应用提供了一定的参考。

目录

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 微通道内液滴生成研究现状

1.2.1被动式微液滴生成研究

1.2.2 主动式微液滴生成研究

1.2.3 微通道内液滴运输及融合研究

1.3 本文的研究内容及工作

第二章 微通道内液滴生成原理

2.1 微尺度流动理论

1）质量守恒方程

2）动量守恒方程

3）能量守恒方程

2.2 微通道内液滴生成原理

2.3 界面追踪处理方法

1） VOF方法

2）Level-Set方法

第三章 被动式微液滴生成数值模拟分析

3.1 数值模型的建立

3.2 数值模型的计算步骤

3.3 模型验证

3.4 模拟结果及数据分析

3.4.1 微通道的几何参数和两相间的流速比对液滴生成的影响

3.4.2 微通道两相间的流速比对液滴生成的影响

3.4.3 微通道的壁面润湿性对液滴生成的影响

3.5 本章小结

第四章 电场作用下微通道内液滴生成研究

4.1 物理模型与数学模型

4.1.1 物理模型

4.1.2 叠加电场控制方程

4.2 直流电作用对液滴生成的影响

4.2.1 直流电场强度对液滴生成影响

4.2.2 电场位置变化对液滴生成的影响

4.3 交流电作用对液滴生成的影响

4.3.1 交流电场频率服从函数对液滴生成的影响

4.3.2 交流电场频率大小对液滴生成影响

4.4 电场作用的不稳定性研究

4.5 本章小结

第五章 流动聚焦微通道内液滴生成的实验研究

5.1 微通道的设计和制备

5.2 实验装置及实验方法

5.3 实验结果与分析

5.3.1 微液滴生成尺寸变化

5.3.2 微液滴生成流型变化

5.4 实验结果与模拟结果对比分析

5.5 实验不稳定分析

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录

附录2 攻读硕士学位期间获得科研鉴定成果

致谢