本文選題：非對稱微通道 + 氣泡�。� 參考：《天津大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：近年來,微化工技術(shù)發(fā)展迅速,作為微化工技術(shù)的重要基礎(chǔ),氣泡在微流控設(shè)備中的破裂行為受到了中外學(xué)者的廣泛重視。本文采用實驗和數(shù)值模擬的方法研究了氣泡在非對稱微通道內(nèi)的破裂行為。采用高速攝像儀對不等寬T型分岔微通道中氣泡的破裂和分配規(guī)律進(jìn)行了研究。實驗觀測到完全阻塞破裂(POB),有空隙破裂(TB),不破裂(NB)三種流型。對于破裂的流型,由于微通道下游子氣泡對分岔口處氣泡破裂的反饋效應(yīng),兩個子氣泡分配比V2/V1隨氣液流量比的增大呈先增大后減小的非線性變化趨勢。隨著無量綱母氣泡體積V0/w02h的增大,V2/V1也呈先增大后減小的變化趨勢,并且存在一個臨界無量綱母氣泡體積(V0/w02h)c。在實驗范圍內(nèi),氣液流量比對(V0/w02h)c的影響較大,而液相黏度對(V0/w02h)c的影響可以忽略。提出了子氣泡分配比的預(yù)測式,預(yù)測值和實驗結(jié)果吻合良好。氣泡完全阻塞破裂過程可以分為兩個階段:擠壓階段和快速夾斷階段。擠壓階段又可分為快速擠壓階段和慢速擠壓階段。快速擠壓階段尚未發(fā)現(xiàn)普遍的變化規(guī)律。慢速擠壓階段無量綱氣泡頸部最小寬度與時間存在指數(shù)關(guān)系:(1-wm/w0)∝t0.62。表觀流速和液相黏度的增加可使頸部變細(xì)速率加快,而氣泡初始長度對氣泡頸部變化的影響可以忽略。在快速夾斷階段,無量綱氣泡頸部最小寬度與剩余時間存在指數(shù)關(guān)系:wm/w0∝(T-t)0.32。實驗研究了氣泡在T型不等長微通道內(nèi)的流型及分配規(guī)律。實驗觀察到完全阻塞破裂(POB)、有空隙破裂(TB)、不破裂三種流型(NB)。氣泡是否破裂的轉(zhuǎn)變規(guī)律可用無量綱初始?xì)馀蓍L度和Ca數(shù)的冪律關(guān)系表示。氣泡破裂后的分配比隨無量綱初始長度的增加而減小。不同初始長度氣泡破裂后的分配行為,其機(jī)理不同。對于較短的初始?xì)馀?子氣泡分配比由局部界面變化和下游支通道阻力共同控制。對于較長的初始?xì)馀?子氣泡分配比主要由下游支通道阻力決定。采用流體體積法(Volume of Fluid,VOF)模擬了氣泡在T型旁路微通道內(nèi)的阻塞破裂過程。在研究范圍內(nèi),液相平均來流速度較低時(um=0.062-0.20m·s-1),氣泡在分岔口處接近對稱破裂,表面張力和氣泡初始長度的變化對子氣泡長度比幾乎沒有影響。液相平均來流速度較高時(um=0.25-0.40 m·s-1),破裂后子氣泡的不對稱性隨平均來流速度增大而增大,隨表面張力和氣泡初始長度的增大而減小。提出了一個子氣泡長度比的預(yù)測模型,預(yù)測值和模擬結(jié)果吻合良好。
[Abstract]:In recent years, micro-chemical technology has developed rapidly. As an important foundation of micro-chemical technology, bubble fracture behavior in microfluidic equipment has been widely paid attention to by domestic and foreign scholars. In this paper, the fracture behavior of bubbles in asymmetric microchannels has been studied by means of experiments and numerical simulations. The rupture and distribution of bubbles in a T-type bifurcation microchannel with different widths were studied by using a high-speed camera. Three flow patterns have been observed experimentally, namely, complete blocking rupture (POB), void rupture (TB), and no rupture (NB). For the flow pattern of the rupture, because of the feedback effect of the wandering bubble on the bubble rupture at the bifurcation under the microchannel, the distribution ratio of the two sub-bubbles increases first and then decreases with the increase of the gas-liquid flow ratio. With the increase of the volume of dimensionless mother bubble V0/w02h, the volume of V _ 2 / V _ 1 increases first and then decreases, and there exists a critical dimensionless bubble volume of V _ 0 / W _ (02) h ~ (-1). In the experimental range, the effect of gas-liquid flow ratio on V _ 0 / w _ (02) h ~ (-1) is significant, while the effect of liquid viscosity on V _ (0 / W _ (02) h ~ (-1) can be neglected. The prediction formula of sub-bubble partition ratio is proposed, and the predicted value is in good agreement with the experimental results. The process of complete bubble blocking and rupture can be divided into two stages: extrusion stage and fast clamping stage. The extrusion stage can be divided into fast extrusion stage and slow extrusion stage. The general rule of change has not been found in the rapid extrusion stage. There is an exponential relationship between the minimum neck width of dimensionless bubble and time in slow extrusion stage. The increase of apparent velocity of flow and viscosity of liquid phase can accelerate the rate of neck thinning, while the effect of initial bubble length on the change of bubble neck can be neglected. At the stage of fast clamping, there is an exponential relationship between the minimum width of dimensionless bubble neck and the remaining time. The flow pattern and distribution of bubbles in T-shaped microchannels are experimentally studied. It has been observed that there are three types of flow patterns, I. e., complete blocking rupture (POB), void rupture (TBN), and no rupture (NBN). The transformation law of bubble rupture can be expressed by the power law of the dimensionless initial bubble length and Ca number. The distribution ratio decreases with the increase of dimensionless initial length. The distribution behavior of bubbles with different initial lengths is different. For the short initial bubble, the sub-bubble distribution ratio is controlled by the variation of the local interface and the downstream branch channel resistance. For long initial bubbles, the sub-bubble distribution ratio is mainly determined by the downstream branch channel resistance. The flow volume of Fluido VOF was used to simulate the blocking and rupture process of bubbles in T-shaped bypass microchannels. In the range of study, when the average flow velocity of liquid phase is low, the bubble is nearly symmetrically ruptured at the bifurcation, and the change of surface tension and initial bubble length have little effect on the ratio of sub-bubble length. When the average flow velocity of liquid phase is higher, the asymmetry of the sub-bubble increases with the increase of the average velocity of flow and decreases with the increase of the surface tension and the initial length of the bubble. A prediction model of sub-bubble length ratio is proposed. The predicted value is in good agreement with the simulation results.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ021

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本文編號：1932323