【摘要】：潤濕梯度驅(qū)動液滴自運動現(xiàn)象在生物醫(yī)學(xué)、污染檢測、強化傳熱和石油化工等領(lǐng)域普遍存在,掌握液滴自輸運過程中鋪展、收縮或擾動等行為特征和規(guī)律,對實際應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。本文首先借助COMSOL Multiphysics軟件并采用改進的水平集方法模擬了液滴在不同微通道內(nèi)的動力學(xué)行為,從接觸角形式、潤濕梯度、潤濕特性、通道尺寸、工質(zhì)種類以及液滴數(shù)量等角度出發(fā),分析并給出了液滴自運動過程中位移、速度及渦量等動態(tài)演化規(guī)律,系統(tǒng)展示了不同條件下液滴動力特性變化。同時,為對仿真模擬進行驗證,從力學(xué)和能量角度對固體表面液滴自驅(qū)動行為建立了數(shù)學(xué)模型,進而引出對平行微通道內(nèi)液滴自驅(qū)動機理的詳細分析和討論,通過與理論分析結(jié)果的比較,部分驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,對一些相關(guān)研究具有很好的指導(dǎo)意義。主要工作和結(jié)論如下:(1)借助COMSOL軟件,對液滴在潤濕接觸角110°~101°線性減小的微通道內(nèi)的運動行為進行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)液滴在潤濕梯度微通道內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)從低潤濕向高潤濕區(qū)域的自運動。液滴呈現(xiàn)收縮和鋪展交替出現(xiàn)的前進狀態(tài),并經(jīng)歷了先加速后趨于平穩(wěn)的運動過程,速度存在局部波動,液滴通過區(qū)域會形成大量渦旋,三相接觸線位置附近的渦旋現(xiàn)象最為顯著,并發(fā)現(xiàn)上、下側(cè)潤濕壁的渦旋分布存在差異,可能主要是由重力作用引起的。(2)分別引入描述通道表面梯度潤濕形式的線性連續(xù)方程、指數(shù)方程以及階梯潤濕方程,對液滴在具有相同潤濕梯度表面微通道內(nèi)的動態(tài)行為進行了數(shù)值模擬。分析比較這三種潤濕形式下模擬結(jié)果的差異,發(fā)現(xiàn)液滴的動態(tài)行為受潤濕梯度和梯度潤濕形式的共同作用和影響,總結(jié)了對液滴自驅(qū)動運動最為有利的梯度表面潤濕形式,為后續(xù)進一步研究微通道內(nèi)液滴自運動行為提供了參考。(3)對液滴在不同潤濕梯度、潤濕特性、通道尺寸、工質(zhì)種類及液滴數(shù)量的微通道進行了數(shù)值模擬研究,并對模擬結(jié)果進行分析比較,發(fā)現(xiàn)較大的潤濕梯度和較小的初始接觸角更利于液滴的運動,能有效地增大液滴速度和動能。當(dāng)潤濕梯度由3.5-10°/mm變化時,液滴速度變化可在幾厘米每秒至幾十厘米每秒范圍;此外,通道寬度(75,120和180μm)也對液滴的運動行為產(chǎn)生重要的影響,發(fā)現(xiàn)隨著通道寬度增大,由于流動阻力減小,液滴速度顯著增大。通過對水、甲醇和乙醇三種工質(zhì)的模擬結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)三者速度關(guān)系滿足V_水V_(甲醇)V_(乙醇),這主要由表面張力和粘性阻力的比值決定,表面張力占比越大的工質(zhì)液滴運動越快。通過對單液滴、雙液滴和三液滴的模擬結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)增加液滴數(shù)量對液滴自運動具有促進作用,主要是由于液滴運動過程中的相互作用會增強對速度場的擾動,削弱運動阻力影響,同時由于液滴通過區(qū)域的壁面被潤濕,有效減小了粘性阻力影響。(4)建立了液滴在梯度潤濕平行微通道內(nèi)自驅(qū)動運動的數(shù)學(xué)模型,并借助MATLAB軟件獲得了模型計算結(jié)果,并分析了其在微通道內(nèi)的自驅(qū)動機理。通過與數(shù)值模擬結(jié)果的比較,發(fā)現(xiàn)模型計算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好,驗證了數(shù)值仿真的可靠性和合理性。
【圖文】：

在兩個帶有圖案化電極的平行基底之間，，而單板設(shè)計則將液滴另外，雙板設(shè)計分別在頂板和底板上具有接地和致動電極，而容納兩個電極。在這兩種情況下，液滴直接位于介電層頂部的疏當(dāng)電絕緣體，從而可以防止液滴的水解。通常由于雙板設(shè)計能如分配、移動、分離和合并等，使其更受歡迎；但是當(dāng)需要熒更為有利[32]。EWOD 結(jié)構(gòu)的制造由標(biāo)準(zhǔn) MEMS 工藝完成，包等，一方面這些工藝過程不僅耗時而且對精度要求很高，另一高，導(dǎo)致 EWOD 方法未被廣泛使用。

(a) (b)圖 2.1 接觸角示意圖(a)；滑移長度示意圖(b)Figure 2.1 Schematic diagram of contact angle (a) and slip length (b)面潤濕特性面潤濕特性與接觸角大小呈負相關(guān)，接觸角越大，表面能越低，則壁面
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK12

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 王宏;廖強;朱恂;;梯度表面能材料上液滴運動機理[J];化工學(xué)報;2007年09期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 李冰;自組裝單分子膜上實現(xiàn)微液滴的自發(fā)運動[D];青島理工大學(xué);2011年

本文編號：2614676