本文關(guān)鍵詞：微小槽道內(nèi)光熱效應(yīng)致兩相流動與傳熱特性研究

  更多相關(guān)文章： 光微流體 光熱效應(yīng) 聚合特性 液柱蒸發(fā) 熱毛細(xì)對流

【摘要】：微流控芯片能夠把分析實驗室的各種功能如混合、分離、提純以及檢測等集成到微小的芯片上,具有響應(yīng)速度快、效率高、樣品和試劑消耗量少、污染少、系統(tǒng)簡單并可實現(xiàn)批量制造、降低成本等優(yōu)點,在分析化學(xué)和生化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來,結(jié)合了光學(xué)和微流控技術(shù)相融合形成了一門新興交叉學(xué)科——光微流體技術(shù)。由于光和流體的作用方式很多,且光可以聚焦到微米甚至納米尺度,所以光微流體技術(shù)可實現(xiàn)對流體運動的高靈敏度、精確和快速操作。而其中基于光熱效應(yīng)得光微流控技術(shù)可利用光熱效應(yīng)來直接驅(qū)動和控制微流體,系統(tǒng)簡單且制造成本低,引起了人們的廣發(fā)關(guān)注。但目前國內(nèi)外對基于光熱效應(yīng)的光微流控技術(shù)研究還停留在裝置的功能和原理的實現(xiàn)方面,對其中的機理及規(guī)律的認(rèn)識還十分有限。因此,本文將針對基于光熱效應(yīng)的光微流控技術(shù)中兩相流動和傳熱問題的物理本質(zhì)特征,展開系統(tǒng)的研究,為新裝置的優(yōu)化和設(shè)計開發(fā)提供理論支撐。本文以光熱效應(yīng)致相變微泵中的物理過程的為研究對象,采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對其熱物理過程進行層層深入的研究。首先,數(shù)值模擬了液柱與單液滴的聚合特性,探究了聚合行為作為驅(qū)動力來源的物理機制,并考察了不同壁面浸潤性、通道形狀、通道尺寸、液滴大小位置等因素的影響規(guī)律;接著采用可視化實驗結(jié)合數(shù)值計算研究了微通道內(nèi)液柱與多液滴聚合特性,考察了進出口壓差以及微通道尺寸以及液滴總數(shù)、位置和排列方式對聚合特性的影響;然后針對微通道內(nèi)光熱效應(yīng)致液柱蒸發(fā)現(xiàn)象分別進行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)研究,并重點考察蒸發(fā)過程中的熱質(zhì)傳遞特性;最后,對光熱效應(yīng)致相變驅(qū)動微流體運動進行系統(tǒng)的可視化實驗研究。本文獲得的主要結(jié)論如下:(1)對矩形和三角形親憎水微通道內(nèi)液柱在與單液滴聚合特性進行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)在聚合過程中由于形成了曲率較大的汽液界面,使得正向毛細(xì)壓力增大,液相內(nèi)部壓力降低,從而使液柱在聚合過程中速度增大。聚合速度增率的大小與聚合時液柱所受粘性阻力以及液滴形態(tài)相關(guān),親水通道內(nèi)接觸角越小,憎水通道內(nèi)接觸角越大,進出口壓差越小,通道尺寸越小,液滴距離進口處越近、液滴比表面積越大則聚合速度增率越大;三角形通道內(nèi)聚合效果小于矩形通道。(2)液柱與多液滴的聚合的可視化實驗研究中,采用光熱效應(yīng)致液柱蒸發(fā)冷凝形成附著在壁面的液滴群,利用壓力驅(qū)動型微流體進樣系統(tǒng)驅(qū)動液柱與其發(fā)生聚合并檢測液柱速度變化。研究發(fā)現(xiàn)在聚合過程中液柱汽液界面會在極短時間內(nèi)連續(xù)發(fā)生較為劇烈的變化,液柱速度也在較短的時間內(nèi)有一非常明顯的峰值;且由于壁面憎水,液滴較大,會卷吸空氣進入液柱內(nèi)形成小氣泡。雖然在重復(fù)實驗中發(fā)現(xiàn)最終生成的液滴大小分布比較隨機,但能獲得較為一致的聚合速度增率。最后通過對液柱與不同排列方式的多液滴聚合行為的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)液滴的排列方式對液柱速度影響不大。(3)針對激光光熱效應(yīng)致液柱穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)特性,采用高斯激光熱源模型,不考慮界面變形以及氣相蒸汽壓力的變化進行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明由于激光的非均勻加熱特性使得蒸發(fā)伴隨著較強的熱毛細(xì)對流,大大增強了內(nèi)部的換熱系數(shù);與憎水通道相比,由于親水通道內(nèi)汽液界面是內(nèi)凹界面,熱阻相對較小,導(dǎo)致界面溫度較高,蒸發(fā)量較大,同時熱毛細(xì)對流也越強,但由于兩者界面上的不同方向上的溫度梯度相對大小不同,使得親水通道的液相內(nèi)部形成的是兩個左右對稱的渦而憎水通道則是上下兩個對稱的渦;同時激光功率越大,蒸發(fā)量越大,熱毛細(xì)對流越強烈,但對流渦的大小無明顯變化;而針對不同激光加熱位置,激光離界面越遠,界面出溫度越低,其蒸發(fā)量和熱毛細(xì)對流強度也越小;激光光斑大小則對界面上的溫度分布和蒸發(fā)速率均影響較小。(4)針對微通道內(nèi)具有自由界面的連續(xù)液柱在激光加熱過程中的動態(tài)蒸發(fā)特性,綜合考慮界面附近的蒸氣分壓以及界面形態(tài)變化對蒸發(fā)特性的影響進行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明當(dāng)液柱靜止時,雖然界面溫度不斷升高,但界面蒸發(fā)換熱系數(shù)和界面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)均隨著時間不斷減小,液柱蒸發(fā)速率先減小后基本保持不變;界面上沿激光加熱方向上溫度梯度要遠大于橫向梯度;當(dāng)液柱在通道中流動時,界面附近蒸汽傳質(zhì)以對流傳質(zhì)為主,蒸汽傳質(zhì)系數(shù)與液柱速度正相關(guān),汽液界面溫度隨時間不斷增大,界面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)和蒸發(fā)換熱系數(shù)都是先增大后減小,速發(fā)速率最大值點即為液柱速度最大值點,且熱毛細(xì)對流的產(chǎn)生增大了界面附近的壓強,對液柱前進有抑制作用;相同時刻移動液柱的界面平均溫度小于靜止液柱,但其蒸發(fā)速率大于靜止液柱。(5)對微通道內(nèi)光熱效應(yīng)致相變驅(qū)動微流體運動進行系統(tǒng)的實驗研究工作。采用了可視化實驗手段和圖像處理技術(shù),研究了激光驅(qū)動液柱過程中液滴的冷凝形態(tài)變化及液柱運動速率。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光加熱位置不動時,隨著界面向前運動,液柱速度會逐漸降低,然后當(dāng)界面達到某一位置時,由于蒸發(fā)量減小,冷凝液滴變得稀疏且需要長大到一定尺寸才能與液柱聚合,使得速度開始震蕩,液柱流動的最終位移與激光功率呈正比;當(dāng)光斑位置隨著界面遷移而遷移時,除了在加熱初始階段外,液滴分布形式不會隨著界面遷移而改變,液柱驅(qū)動速度先升高后基本保持不變;當(dāng)光斑距離界面越近,激光功率越大,液滴分布越密集,直徑越小,同時驅(qū)動速度越大。
【關(guān)鍵詞】：光微流體 光熱效應(yīng) 聚合特性 液柱蒸發(fā) 熱毛細(xì)對流
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-12
• 1 緒論12-28
• 1.1 課題背景12-20
• 1.1.1 微流控芯片12-14
• 1.1.2 微流控技術(shù)簡介14-16
• 1.1.3 光微流控技術(shù)16-20
• 1.2 光熱效應(yīng)微流控技術(shù)研究現(xiàn)狀20-25
• 1.2.1 微通道內(nèi)具有自由界面的汽液兩相流動研究現(xiàn)狀20-22
• 1.2.2 微通道內(nèi)蒸發(fā)及界面?zhèn)鬟f研究現(xiàn)狀22-25
• 1.3 主要研究工作25-28
• 1.3.1 已有研究不足25-26
• 1.3.2 主要研究內(nèi)容26-27
• 1.3.3 主要創(chuàng)新點27-28
• 2 液柱與單液滴的聚合驅(qū)動微流體運動特性研究28-68
• 2.1 親水矩形槽道內(nèi)液柱與單液滴聚合特性數(shù)值模擬28-44
• 2.1.1 模型描述28-33
• 2.1.2 結(jié)果分析33-43
• 2.1.3 小結(jié)43-44
• 2.2 憎水矩形微通道內(nèi)液柱與單液滴聚合特性數(shù)值模擬研究44-55
• 2.2.1 模型描述44-48
• 2.2.2 結(jié)果分析48-54
• 2.2.3 小結(jié)54-55
• 2.3 三角形微通道內(nèi)的液柱與液滴聚合特性數(shù)值模擬研究55-67
• 2.3.1 物理模型55-57
• 2.3.2 理論分析57-58
• 2.3.3 結(jié)果分析58-66
• 2.3.4 小結(jié)66-67
• 2.4 本章小結(jié)67-68
• 3 液柱與多液滴聚合驅(qū)動微流體運動特性68-92
• 3.1 微通道中液柱與多液滴聚合可視化實驗研究68-82
• 3.1.1 微通道制作過程68-71
• 3.1.2 實驗系統(tǒng)71-73
• 3.1.3 實驗結(jié)果及分析73-81
• 3.1.4 小結(jié)81-82
• 3.2 液柱與多液滴聚合特性的數(shù)值模擬研究82-89
• 3.2.1 物理模型82
• 3.2.2 模型驗證82-83
• 3.2.3 結(jié)果分析83-89
• 3.3 本章小結(jié)89-92
• 4 光熱效應(yīng)致液柱穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)特性研究92-110
• 4.1 模型介紹92-96
• 4.1.1 物理模型92-94
• 4.1.2 控制方程94-95
• 4.1.3 網(wǎng)格以及模型驗證95-96
• 4.2 結(jié)果與討論96-108
• 4.2.1 親憎水通道中傳熱傳質(zhì)分析96-101
• 4.2.2 激光功率的影響101-103
• 4.2.3 激光光斑位置的影響103-105
• 4.2.4 激光光斑大小的影響105-108
• 4.3 本章小結(jié)108-110
• 5 光熱效應(yīng)致液柱蒸發(fā)動態(tài)特性110-136
• 5.1 模型介紹110-114
• 5.1.1 物理模型110-111
• 5.1.2 控制方程111-113
• 5.1.3 網(wǎng)格以及模型驗證113-114
• 5.2 靜止液柱蒸發(fā)特性研究114-123
• 5.2.1 熱質(zhì)傳遞分析115-121
• 5.2.2 兩相流動分析121-123
• 5.3 流動液柱蒸發(fā)特性研究123-134
• 5.3.1 熱質(zhì)傳遞分析124-130
• 5.3.2 兩相流動分析130-134
• 5.4 本章小結(jié)134-136
• 6 光熱效應(yīng)致相變驅(qū)動液柱流動實驗研究136-152
• 6.1 實驗系統(tǒng)以及步驟136-139
• 6.1.1 實驗裝置及系統(tǒng)136-138
• 6.1.2 實驗步驟138-139
• 6.2 固定光斑位置液柱運動特性139-145
• 6.2.1 液柱運動特性139-142
• 6.2.2 激光功率的影響142-145
• 6.3 移動光斑位置液柱運動特性145-150
• 6.3.1 不同激光功率下液柱的運動特性145-148
• 6.3.2 光斑位置的影響148-150
• 6.4 本章結(jié)論150-152
• 7 結(jié)論與展望152-154
• 7.1 全文總結(jié)152-153
• 7.2 后續(xù)工作展望153-154
• 致謝154-156
• 參考文獻156-164
• 附錄164
• A. 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文164-165
• B. 作者在攻讀博士學(xué)位期間參加會議165
• C. 作者在攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項目165

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本文編號：881903