微流控技術(shù)因其易于操控、高效節(jié)能和安全性高的特點(diǎn),在化學(xué)、生物工程等眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。使用氣液兩相流體,通過微流控裝置可以獲得尺寸均勻的微氣泡。氣液兩相在通道內(nèi)的流動(dòng)伴隨著復(fù)雜的受力過程,研究通道內(nèi)彈狀流的生成過程有助于加深對(duì)氣泡生成機(jī)制的理解。目前,對(duì)于彈狀流的生成過程,尤其是針對(duì)氣液相界面的變化研究不夠完善。本文利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法考察彈狀流生成機(jī)制,關(guān)注相界面的變化及物理場信息,進(jìn)一步得出氣彈生成特性及其主要影響因素�；谝陨蟽�(nèi)容,本文研究工作如下:(1)建立T型微通道氣液兩相流數(shù)值模型,研究彈狀流生成過程。通過研究流動(dòng)過程中相界面的變化,將氣彈生成過程分為“兩個(gè)階段,一個(gè)時(shí)刻”。第一個(gè)階段為回縮過程,這一過程中氣相端部在表面張力的作用下快速回縮。第二階段為連續(xù)鼓泡過程,在連續(xù)進(jìn)料的情況下氣彈不斷生長,在液相的剪切作用下,下壁面氣相不斷變薄。當(dāng)表面張力不能維持氣相形狀時(shí)斷裂形成氣彈,此時(shí)為“斷裂時(shí)刻”。(2)流動(dòng)過程伴隨著壓力場和速度場的不斷變化。通過中心線和監(jiān)測點(diǎn)兩種方法研究壓力場的變化,結(jié)果表明氣相斷裂導(dǎo)致斷裂位置附近壓力場急劇變化。粘性對(duì)中心線整體壓力變化幅度影響最大。表面張力是氣彈維持球形的原因,氣彈下游相界面曲率半徑小于上游相界面。根據(jù)速度場可以看出相界面是速度最大、受力情況最復(fù)雜的位置,氣彈內(nèi)部兩個(gè)端部形成渦旋,推動(dòng)氣彈向下游運(yùn)動(dòng)。(3)通過搭建顯微-高速攝像系統(tǒng)拍攝微流控芯片中氣彈的高速生成,通過數(shù)字圖像處理技術(shù),得到氣彈的生成特性(特征長度、生成周期等)。結(jié)果表明改變氣液兩相流率,氣彈生成特性的變化范圍最大。表面張力對(duì)氣彈生成特性的影響最小。增加粘度能夠得到尺寸更小的氣泡且生成周期較短,氣彈特征長度為400μm左右,氣彈生成周期4.5 ms左右。(4)通過無量綱分析,發(fā)現(xiàn)氣彈特征長度與無量綱數(shù)氣液流量比_*Q,雷諾數(shù)Re,韋伯?dāng)?shù)We之間存在函數(shù)關(guān)系。經(jīng)過線性回歸分析得到的經(jīng)驗(yàn)公式表明:通道尺寸不變的情況下,增加氣相流率和減小液相流率均能使氣彈特征長度增加,流動(dòng)過程中氣彈特征長度受慣性力和粘性力的影響,而表面張力的影響可以忽略。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN492
【文章目錄】：
摘要
Abstract
引言
1 文獻(xiàn)綜述
    1.1 微流控技術(shù)簡介
    1.2 微氣泡的制備及應(yīng)用
        1.2.1 微氣泡制備方法
        1.2.2 微氣泡實(shí)際應(yīng)用
    1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.1 微通道內(nèi)流動(dòng)特性的研究
        1.3.2 彈狀流生成過程的數(shù)值模擬
        1.3.3 微氣泡特性的研究
    1.4 本文研究內(nèi)容
2 T型通道數(shù)值模型的建立
    2.1 問題分析
    2.2 控制方程
        2.2.1 連續(xù)性方程
        2.2.2 動(dòng)量方程
        2.2.3 體積分?jǐn)?shù)方程
    2.3 網(wǎng)格劃分與求解方案
        2.3.1 T型微通道網(wǎng)格劃分
        2.3.2 初始條件和邊界條件
        2.3.3 數(shù)值求解方法
    2.4 本章小結(jié)
3 彈狀流生成過程的數(shù)值模擬
    3.1 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)
        3.1.1 特征長度的檢驗(yàn)
        3.1.2 相界面清晰度
    3.2 彈狀流生成過程的描述
        3.2.1 氣液相界面的變化
        3.2.2 液相面積的研究方法
        3.2.3 液相面積的演變分析
    3.3 流動(dòng)過程壓力場特性
        3.3.1 中心線壓力分析
        3.3.2 監(jiān)測點(diǎn)壓力分析
    3.4 速度場及界面張力的分析
        3.4.1 速度場分析
        3.4.2 界面張力分析
    3.5 本章小結(jié)
4 彈狀流生成特性的實(shí)驗(yàn)研究
    4.1 彈狀流生成的實(shí)驗(yàn)方法
        4.1.1 實(shí)驗(yàn)材料
        4.1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介
        4.1.3 實(shí)驗(yàn)操作流程
    4.2 兩相流率對(duì)彈狀流生成特性的影響
        4.2.1 氣相流率的影響
        4.2.2 液相流率的影響
    4.3 液相物性參數(shù)對(duì)彈狀流生成特性的影響
        4.3.1 表面張力的影響
        4.3.2 粘度的影響
    4.4 生成特性的無量綱分析
    4.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張井志;李蔚;;微小管徑圓管氣-液Taylor流動(dòng)數(shù)值模擬[J];浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2015年08期

2 堯超群;樂軍;趙玉潮;陳光文;袁權(quán);;微通道內(nèi)氣-液彈狀流動(dòng)及傳質(zhì)特性研究進(jìn)展[J];化工學(xué)報(bào);2015年08期

3 陳曉東;胡國慶;;微流控器件中的多相流動(dòng)[J];力學(xué)與實(shí)踐;2015年01期

4 劉趙淼;劉麗昆;申峰;;Y型微通道中兩相界面特性變化分析[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2014年08期

5 劉趙淼;劉麗昆;申峰;;Y型微通道兩相流內(nèi)部流動(dòng)特性[J];力學(xué)學(xué)報(bào);2014年02期

6 魏麗娟;朱春英;付濤濤;馬友光;;T型微通道內(nèi)液滴尺寸的實(shí)驗(yàn)測定與關(guān)聯(lián)[J];化工學(xué)報(bào);2013年02期

7 北寒;;反接鏡頭,微距下的大片世界[J];旅游世界;2012年08期

8 王琳琳;李國君;田輝;葉陽輝;;T型微通道內(nèi)氣液兩相流數(shù)值模擬[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);2011年09期

9 鄭小林;鄢佳文;胡寧;楊靜;楊軍;;微流控芯片的材料與加工方法研究進(jìn)展[J];傳感器與微系統(tǒng);2011年06期

10 阮曉博;楊芳;顧寧;;微納氣泡制備及其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲影像增強(qiáng)與藥物載運(yùn)的發(fā)展[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版);2011年01期

本文編號(hào)：2871124