本文關鍵詞：基于T型通道剪切法微液滴形成機制的CFD數(shù)值模擬，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：微流控技術是一門涉及化學、流體物理、微電子、新材料、生物學和生物醫(yī)學工程的新興交叉學科。目前,微流控技術在生物醫(yī)學、材料合成、藥物篩選等領域具有廣泛的應用前景。微液滴技術是微流控技術的一個重要分支,近年來,利用微流控芯片制備離散化的微液滴因其具有單分散性好、均一化程度高、尺寸精確可控等優(yōu)點,受到了越來越多的關注。T型微通道法是制備微液滴最為常用的方法,但T型微通道產(chǎn)生微液滴的產(chǎn)生機理研究還比較少,研究進展緩慢,沒有統(tǒng)一的理論模型,目前主要集中在實驗研究階段。數(shù)值模擬是一種有效的研究方法,通過數(shù)值模擬(CFD)技術,對微米量級的微流控芯片中T型微通道中微液滴的形成過程進行數(shù)值模擬,揭示微尺度下微液滴的形成規(guī)律,為微液滴在微生化分析等領域的應用提供理論依據(jù),對豐富微液滴技術,拓寬微流體理論體系,將具有十分重要的意義。本文針對兩相流動的特點,從實際應用需求出發(fā),建立了微液滴形成過程的理論方程：VOF方程和流動控制方程。對已建立好的數(shù)學模型進行求解,完成了微液滴形成過程的數(shù)值模擬實驗。該方法克服了傳統(tǒng)實驗研究的局限性,可以系統(tǒng)的分析相關參數(shù)對微液滴形成造成的影響。為考察不同參數(shù)對微液滴大小的影響,通過圖像處理方法對微液滴的大小進行計算,采用位圖轉換處理及MATLAB工具進行了尺寸解析。本文首先將圖片進行位圖處理,然后將其導入Matlab,建立了像素點矩陣,利用RGB值對油相、水相和其它像素點進行了區(qū)分,采用k-means算法對獨立的液滴進行了分類,最后通過程序計算出液滴的大小。通過仿真分析,得出了通道壁面對液滴形成的影響規(guī)律,研究表明通道壁的潤濕性對微液滴形成存在著一定的影響,通道壁疏離散相時,才有可能形成微液滴,且接觸角的改變對微液滴的大小影響不大。本文進一步得出連續(xù)相黏度、速度對液滴大小的影響規(guī)律,當連續(xù)相的黏度增大時,所形成的液滴大小會減��；當連續(xù)相的速度增大時,所形成的液滴大小會減�。蛔詈蟮贸鰞上嘀g界面張力對液滴大小的影響規(guī)律,當兩相之間的界面張力增大時,所形成的液滴大小會增大,論證了液滴大小隨著毛細數(shù)的增大而減小,當毛細數(shù)達到特定的值時,微液滴將不再產(chǎn)生。為了進一步探尋剪切力對液滴形成的影響規(guī)律,本文設計了多通道微壓力檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MEMS微壓力傳感器MPXV7002對PMMA微流控芯片各流體通道內的壓力進行了多節(jié)點測量,采用外引硅膠管連接方法對微壓力傳感器在微通道不同節(jié)點進行了安裝；對壓力數(shù)據(jù)進行了濾波和平滑處理。進行了多節(jié)點壓力測試實驗,對實驗數(shù)據(jù)進行了分析,進行了系統(tǒng)標定和誤差分析,實驗結果表明,系統(tǒng)具有較高的測試精度。本文對微液滴產(chǎn)生進行了實驗研究。實驗表明,微液滴大小與連續(xù)相黏度、連續(xù)相速度、界面張力、微管道尺寸,管道壁面特性等參數(shù)有關,實驗結果與CFD數(shù)值模擬得到的結論相同,具有良好的一致性,驗證了CFD數(shù)值模擬的正確性,CFD數(shù)值模擬將對微流控微液滴的形成理論具有良好的指導意義。
【關鍵詞】：微流控 微液滴 T型通道 CFD數(shù)值模擬 k-means 微壓力
【學位授予單位】：安徽理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN492
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 1 緒論15-23
• 1.1 微液滴技術簡介15-16
• 1.2 微流控芯片中微液滴制備的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3 T型通道法微液滴制備的機理研究現(xiàn)狀17-19
• 1.4 T型通道法微液滴制備的CFD模擬研究現(xiàn)狀19-20
• 1.5 研究目的及意義20
• 1.6 研究內容20-21
• 1.7 論文結構21
• 1.8 本章小結21-23
• 2 CFD技術與微液滴生成的求解模型23-35
• 2.1 CFD技術介紹23
• 2.2 VOF模型23-27
• 2.2.1 VOF模型中自由界面的定義及控制方程24-26
• 2.2.2 VOF模型在CFD中的應用方法26-27
• 2.3 流體控制方程27-33
• 2.3.1 質量守恒方程27-28
• 2.3.2 Navier-Stokes方程28-32
• 2.3.3 能量守恒方程32-33
• 2.4 本章小結33-35
• 3 微液滴形成過程的CFD研究方法35-45
• 3.1 微通道設計及網(wǎng)格劃分35-37
• 3.1.1 微通道設計35-36
• 3.1.2 劃分網(wǎng)格及邊界類型設定36-37
• 3.2 Fluent求解過程37-38
• 3.3 實驗圖像處理38-44
• 3.3.1 圖像輸出39-40
• 3.3.2 圖像處理40
• 3.3.3 液滴大小的表征40-44
• 3.4 本章小結44-45
• 4 微壓力檢測系統(tǒng)設計45-63
• 4.1 數(shù)據(jù)處理濾波算法45-49
• 4.1.1 卡爾曼濾波算法46-47
• 4.1.2 卡爾曼濾波算法的數(shù)值模擬47-49
• 4.2 微壓力檢測系統(tǒng)的硬件結構49-55
• 4.2.1 MCU49-50
• 4.2.2 復位電路50
• 4.2.3 電源50-51
• 4.2.4 USB串口51
• 4.2.5 BOOT51-52
• 4.2.6 系統(tǒng)電源指示燈52
• 4.2.7 壓力檢測模塊52-53
• 4.2.8 人機交互模塊53-55
• 4.3 微壓力檢測系統(tǒng)的誤差補償55-59
• 4.4 微壓力檢測系統(tǒng)的標定59-60
• 4.5 系統(tǒng)運行測試60-61
• 4.6 本章小結61-63
• 5 微液滴形成機制的CFD模擬63-79
• 5.1 VOF模型的準確性驗證64
• 5.2 微通道潤濕性的影響64-66
• 5.3 連續(xù)相流速的影響66-68
• 5.4 連續(xù)相黏度的影響68-70
• 5.5 兩相間界面張力的影響70-71
• 5.6 通道寬度的影響71-72
• 5.7 通道入口壓力的影響72
• 5.8 微液滴生成規(guī)律的實驗研究72-77
• 5.8.1 液相等速變化對液滴的影響73-74
• 5.8.2 液相非等速變化對液滴的影響74-75
• 5.8.3 芯片通道尺寸對液滴制備的影響75-76
• 5.8.4 微液滴制備的規(guī)律計算分析76-77
• 5.9 本章小結77-79
• 結論與展望79-81
• 參考文獻81-85
• 致謝85-87
• 作者簡介及讀研期間主要科研成果87

【參考文獻】

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  本文關鍵詞：基于T型通道剪切法微液滴形成機制的CFD數(shù)值模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：368729