【摘要】：微流控技術(shù)廣泛用于化學(xué)、醫(yī)療以及生命科學(xué)等交叉學(xué)科中。微流體作為運(yùn)輸介質(zhì)多數(shù)為非牛頓流體,如用于生物實(shí)驗(yàn)的組織體液和化學(xué)反應(yīng)中的高分子聚合物溶液等。高分子聚丙烯酰胺水溶液作為粘彈性流體的典型代表可表現(xiàn)出與牛頓流體完全不同的流動(dòng)特性。在微尺度下由于其內(nèi)部顯著的彈性應(yīng)力,在外部激勵(lì)或流體拉伸作用下呈現(xiàn)出特有的彈性不穩(wěn)定性,如隨時(shí)間波動(dòng)或流場(chǎng)的空間對(duì)稱破缺等特征。因此,研究粘彈性流體在微尺度下的不穩(wěn)定現(xiàn)象有實(shí)際的應(yīng)用意義并為解決微尺度下彈性作用等基礎(chǔ)物理問題提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)觀察流場(chǎng)跡線和數(shù)值模擬分析的方法,研究分析在不同邊界條件下微尺度粘彈性流體的時(shí)間不穩(wěn)定以及空間不穩(wěn)定現(xiàn)象及規(guī)律。首先,為實(shí)驗(yàn)測(cè)量觀察微尺度下粘彈性流體的流動(dòng),制備微米級(jí)寬度微尺度通道芯片。將傳統(tǒng)的光學(xué)光刻技術(shù)和軟材料刻蝕技術(shù)相結(jié)合,并搭建對(duì)流體有效操控的微流控測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)。另外,采用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)流變儀以及微流變學(xué)測(cè)量方法對(duì)實(shí)驗(yàn)溶液體系進(jìn)行表征,包括甘油水溶液和聚丙烯酰胺水溶液。傳統(tǒng)流變儀低頻的測(cè)量結(jié)果與微流變學(xué)在高頻振蕩下的模量測(cè)量結(jié)果互為補(bǔ)充。在傳統(tǒng)流變儀測(cè)量中,測(cè)量流體的速度與壓力,分析粘性和彈性等物性參數(shù),并得到聚丙烯酰胺水溶液的剪切稀變和彈性模量等粘彈性流體的特有流變學(xué)屬性。其次,基于開源軟件OpenFOAM在Oldroyd-B模型上建立適用于計(jì)算高維森貝格數(shù)的粘彈性流體數(shù)值求解器,并在該求解器中引入對(duì)粘彈性流體的外部驅(qū)動(dòng)力(Body Force)。數(shù)值模擬分析了在外部力場(chǎng)的激勵(lì)下粘彈性流體在泊肅葉流動(dòng)邊界條件中隨時(shí)間的不穩(wěn)定響應(yīng)。通過改變外部力場(chǎng)的幅值、加載時(shí)間和波動(dòng)周期來控制流體的不穩(wěn)定性并擬合了瞬時(shí)速度響應(yīng)曲線得到各參數(shù)關(guān)聯(lián)公式。在恒力作用下粘彈性流體表現(xiàn)為欠阻尼振蕩的不穩(wěn)定性。在卸載力作用下形成的平臺(tái)效應(yīng)發(fā)生在流體振蕩前1/4周期。對(duì)不恒定流速的傅里葉變換分析了粘彈性流體在不同激勵(lì)下的振蕩頻率。振蕩頻率與粘彈性流體固有頻率相同時(shí)可發(fā)生諧振,此時(shí)速度響應(yīng)曲線的頻譜呈現(xiàn)單一頻率,且振幅最高。通過該方法可得到流體固有彈性屬性即松弛時(shí)間。再次,通過不同的微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了粘彈性流體不穩(wěn)定性的調(diào)控。流體在非直線型通道中往往形成具有速度梯度場(chǎng)的拉伸流,并對(duì)粘彈性流體中的聚合物產(chǎn)生拉伸和松弛作用,從而誘發(fā)流體的彈性不穩(wěn)定性。研究對(duì)比了在標(biāo)準(zhǔn)十字通道、預(yù)拉伸十字通道和非對(duì)稱預(yù)拉伸通道中粘彈性流體的不穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同的維森貝格數(shù)以及不同對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)中,可以形成對(duì)稱穩(wěn)定態(tài)、不對(duì)稱雙穩(wěn)態(tài)以及不穩(wěn)定狀態(tài)的粘彈性流場(chǎng)。在不同狀態(tài)中,流場(chǎng)的對(duì)稱性和流體的流出通道的偏向性發(fā)生改變。最后,選用預(yù)拉伸以及突擴(kuò)結(jié)構(gòu)變化的T型拉伸結(jié)構(gòu)結(jié)合外部激勵(lì)周期的調(diào)制進(jìn)行對(duì)混合效果的研究,提出衡量混合效果的混合參數(shù)的定義和計(jì)算方法。結(jié)果表明在牛頓流體在頻率擾動(dòng)下抑制混合,粘彈性流體在高頻下可以增強(qiáng)混合效果。比較了不同流動(dòng)邊界條件以及T型通道尺寸參數(shù)對(duì)混合的影響。在標(biāo)準(zhǔn)T型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)多種模型,對(duì)比Neck頸部匯合段長(zhǎng)度的影響以及出口混合腔寬度的影響。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),經(jīng)過Neck頸部較長(zhǎng)的條件下可以得到更均勻的混合效果,說明該段的預(yù)拉伸作用起到了關(guān)鍵影響作用。雙側(cè)周期振蕩入口受相位差的影響非常大,相位差為π時(shí)混合效率最高。綜上所述,通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析粘彈性流體在微尺度下的不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生規(guī)律,并驗(yàn)證了通過優(yōu)化微通道結(jié)構(gòu)和改變流體激勵(lì),可以靈活調(diào)控和促進(jìn)不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生的臨界條件�；诓环�(wěn)定性的調(diào)控,可以實(shí)現(xiàn)諸如微混合器、存儲(chǔ)器和信號(hào)傳感器等多種微流器件。
【圖文】：

尺度分級(jí)圖，(b) 微齒輪和螨蟲腿[8]，(c) 用于染色體分裂的微流體裝置Fig. 1-1 (a) The scale diagram.gears and spider mite leg[8]. (c) microfluidic device to partition chromosomes 新生技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域涉及多學(xué)科交叉，在這些領(lǐng)域中發(fā)展較為成微鏡面技術(shù)的投影儀[13]、具有調(diào)頻控制功能的 RF（Radio Frequ汽車安全氣囊連接的加速度傳感器[16]、阻止光的傳播路徑的光科學(xué)中通過鍍刻壓電材料做成的壓力傳感器、柔性材料和可穿[10, 11, 17]，如圖 1-2 所示。近些年 MEMS 技術(shù)已成功商業(yè)普及化

(a) (b) (c) (d) (e)圖 1-3 器官芯片舉例[21](a)骨髓，(b)腎臟器官，(c)內(nèi)臟小腸，(d)肝臟，，(e)小氣道Fig. 1-3 Organ chip[21](a) Bone marrow. (b) Kidney. (c) Gut. (d) Liver. (e) Small airway.流體在微觀和宏觀尺度上的區(qū)別主要體現(xiàn)在表面張力、能量耗散以及流動(dòng)阻力，耗能相比于傳統(tǒng)大型流體機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)消耗小很多。微尺度下流體操控技術(shù)是一門新興起的高尖端研究方向，其研究背景和應(yīng)用涉及交叉學(xué)科領(lǐng)域[23-25]，其中包括生物、化學(xué)、基因遺傳、信息信號(hào)傳遞、醫(yī)藥治療也可基于少量流體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可應(yīng)用于多路通訊、自動(dòng)控制、高通量篩選等[26]。微流控技術(shù)在生化檢測(cè)[16, 27, 28]、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋資源開發(fā)和利用、新能源、航空航天、測(cè)量檢測(cè)裝置、傳質(zhì)傳熱[29, 30]、多相流研究、光學(xué)研究、聲學(xué)研究、磁流體、核聚變裂變研究、微流控芯片及配套設(shè)備制造、細(xì)胞培養(yǎng)、給藥[31]、細(xì)胞分離、高通量篩選分離[32, 33]、醫(yī)療疾病健康診斷[34]等方向均有應(yīng)用[35, 36]。微流控（microfluidics）是作為 MEMS 中的分支研究領(lǐng)域，MEMS 涉及行業(yè)領(lǐng)域廣泛，但共同的工作準(zhǔn)則是產(chǎn)生可控制調(diào)制下的驅(qū)動(dòng)，即在通過驅(qū)動(dòng)力或者其他形變方式時(shí)裝置帶有傳感效果，進(jìn)而達(dá)到可調(diào)制作用、驅(qū)動(dòng)器或感應(yīng)功能。因此，
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O357;TN492

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 陽倦成;張紅娜;李小斌;蔡偉華;張彥;李鳳臣;;黏彈性流體純彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象研究綜述[J];力學(xué)進(jìn)展;2010年05期

2 李鳳臣;大島伸行;大島まり;;粘彈性流體旋轉(zhuǎn)流實(shí)驗(yàn)研究[J];哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2008年11期

3 林炳承,秦建華;微流控芯片實(shí)驗(yàn)室[J];色譜;2005年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李勇;粘彈性聚合物熔體流動(dòng)和擠出脹大的數(shù)值模擬研究[D];華東理工大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 彭婷;基于粘彈性流體的微型換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究[D];南昌大學(xué);2012年

2 曹陽;粘彈性流體微通道流動(dòng)特性及其強(qiáng)化混合應(yīng)用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2710054