本文關(guān)鍵詞： 微通道 數(shù)量放大 氣液兩相流 彈狀流型 光檢測 隨機模型 穩(wěn)定性　出處：《天津大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：反應(yīng)器微型化是反應(yīng)工程主要研究方向之一。微反應(yīng)器實現(xiàn)工業(yè)實踐采用并行操作的“數(shù)量放大”方式,它明顯遇到各通道難匹配均勻流體的挑戰(zhàn),尤其是多相體系,結(jié)果并沒有依通道個數(shù)復(fù)制而倍增,取而代之的是復(fù)雜的流體行為。論文致力于研究非均相微通道的放大操作,推進微流控技術(shù)商業(yè)化。研究內(nèi)容如下:第一,通過實驗和計算流體力學(xué)量化考查了由兩條50 mm長,橫截面為500μm方形的微通道以氣液岔形分布器連接的網(wǎng)絡(luò)中彈狀流型的均勻性,將其定義為各通道生成氣泡的齊次程度。實驗結(jié)果表明,入口氣速或液速的增加將會縮短各通道內(nèi)氣泡生成頻率和長度的分布,另一方面惡化了通道間的均勻性。通過對壓強場計算分析了流體在通道間的補償作用,低流速下,補償相對氣泡頻率來說常出現(xiàn)時滯,惡化了通道內(nèi)的均勻性,并由快速攝像機記錄的照片序列中捕捉到兩相交匯處氣柱前端的縮退現(xiàn)象,它對生成氣泡過程的干擾隨流速增加而減小。優(yōu)化“千足蟲”形式百條并行微通道的結(jié)構(gòu)參數(shù),發(fā)現(xiàn)明顯增加液滴形成時落下臺階的高度能產(chǎn)生均勻尺寸的液滴,即便選擇高粘度油相。第二,自搭建針對并行微通道的光檢測系統(tǒng),用于給隨機模型和穩(wěn)定性研究提供合理采樣樣本。系統(tǒng)能保證長期記錄,自編程序快速準確計算,并依經(jīng)過光纖的次序排列給出所有氣液柱的長度、頻率和速度的信息。第三,建立隨機微分方程形式唯象模型描述由氣液岔形分布器連接的兩條并行微通道中流體隨機分布的規(guī)律,并由自搭建光檢測系統(tǒng)采樣確定參數(shù)。隨機方程與Fokker Planck方程聯(lián)立推導(dǎo)出通道中各子流量的均值和方差的解析解。解隨時間的變化趨勢表明某相流體將會全部流入一條微通道;當考慮通道間相互干擾時,修正后的模型趨勢符合實驗現(xiàn)象。第四,以氣泡生成頻率表征通道的性能,考量了入口流量、通道個數(shù)和并行方式對分層和分岔不同類型的并行微通道中操作穩(wěn)定性的影響。光檢測系統(tǒng)抽樣得時間序列通過計算最大Lyapunov指數(shù)證實了并行通道中氣泡的混沌行為,混沌程度隨通道個數(shù)或流量增加而增加。引入分形維數(shù)來量化通道的并行方式,建立避免混沌的操作區(qū)間關(guān)聯(lián)式。另一方面,從方程角度選擇Logistic形式組合方程和已有的種群競爭模型研究多通道中子流量分配穩(wěn)定性,與實驗相符。第五,基于微流控技術(shù)在基因水平和細胞水平提出檢測低濃度突變型KRAS基因的方法。設(shè)計混合實驗,PCR混合物中加肽核酸保證僅突變型擴增,測其熒光信號;制造所需的液滴生成芯片,和操縱液滴的包裝芯片,皮升級注射芯片。
[Abstract]:Reactor miniaturization is one of the main research directions of reaction engineering. In the industrial practice of microreactor, the "quantity amplification" mode of parallel operation is adopted, which obviously meets the challenge of matching uniform fluid with different channels. Especially for multiphase systems, the results are not multiplied by the number of channels, but are replaced by complex fluid behavior. This paper focuses on the amplification of heterogeneous microchannels. Advance the commercialization of microfluidic technology. The contents of the research are as follows: first, through experiments and computational fluid dynamics quantitative examination from two 50 mm long. A 500 渭 m square microchannel is defined as the homogeneity of bubble formation in a network connected by a gas-liquid fork distributor, which is defined as the homogeneity of bubbles in each channel. The increase of inlet gas velocity or liquid velocity will shorten the distribution of bubble formation frequency and length in each channel, on the other hand, it will worsen the uniformity between channels. The compensation effect of fluid in the channel is analyzed by calculating the pressure field. At low velocity compensation often occurs time delay relative to the bubble frequency which deteriorates the uniformity in the channel and captures the phenomenon of the front end of the gas column at the intersection between the two phases in the image sequence recorded by the fast camera. The interference to the bubble formation process decreases with the increase of flow velocity, and the structural parameters of 100 parallel microchannels in the form of "millipede" are optimized. It is found that increasing the height of drop steps when droplets are formed can produce droplets of uniform size, even if high viscosity oil phase is selected. Secondly, a light detection system for parallel microchannels is built. It can be used to provide reasonable sampling samples for random model and stability research. The system can guarantee long-term record, compile a program to calculate quickly and accurately, and give the length of all gas-liquid columns in the order of passing through the fiber. Thirdly, the formal phenomenological model of stochastic differential equation is established to describe the random distribution of fluid in two parallel microchannels connected by gas-liquid bifurcated distributor. The parameters are determined by the sampling of self-built optical detection system. Stochastic equation and Fokker. The analytical solutions of the mean and variance of each subflow in the channel are derived by the Planck equation. The variation of the solution with time indicates that the flow of a certain phase will flow into a microchannel. When the interference between channels is considered, the modified model trend accords with the experimental phenomenon. 4th, the channel performance is characterized by bubble generation frequency, and the inlet flow rate is considered. The effects of the number of channels and the parallel mode on the operational stability of parallel microchannels of different types of delamination and bifurcation. The parallel channel is verified by calculating the maximum Lyapunov exponent of the time series sampled by the optical detection system. The chaotic behavior of bubbles. The degree of chaos increases with the increase of channel number or flow. Fractal dimension is introduced to quantify the parallel mode of channel, and the operation interval correlation to avoid chaos is established. The stability of multichannel neutron flux distribution is studied by selecting the Logistic form combination equation and the existing population competition model from the angle of equation, which is in agreement with the experimental results. 5th. Based on microfluidic technique, a method for detecting low concentration mutant KRAS gene was proposed at gene level and cell level. The fluorescence signal was measured. Make the required droplet generation chips, and manipulate droplet packaging chips, skin upgrade injection chips.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ021.1

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