T型微通道内气泡在藻液中的破裂行为研究

本文以藻液作为连续相,空气作为分散相,采用对称与非对称两种结构的T型微通道,对其内部气泡的破裂行为进行可视化研究,探求了不同结构下微通道内气泡在藻液中的破裂行为及其变化规律。实验结果表明:在对称T型微通道内,气泡在藻液中的运动行为可分为两种,即完全阻塞破裂和不破裂;在对称T型微通道内,气泡的破裂周期主要受气液流量的影响,而在非对称T型微通道内,破裂后生成子气泡的体积分配比主要受母气泡长度和藻液流量的影响。     

T型微通道内溶胶液滴形成过程

以制备空心玻璃微球的前体溶胶和硅油为原料,采用实验观测和数值模拟的方法,对T型微通道内溶胶乳液形成过程进行研究。基于液滴的受力分析,建立了液滴形成过程的数学模型,探讨了液滴大小的变化规律。研究结果表明:对于给定的物料体系和T型微通道,通过改变两相流量可以有效地控制液滴尺寸;在相同的分散相流量条件下,增大连续相流量可以减小液滴尺寸,但连续相流量大到一定程度后,这种效果逐渐减弱;在给定的连续相流量条件下,分散相流量越大,液滴直径越大;利用数学模型计算出的液滴直径与实验值偏差在10%左右。根据模拟结果和摄像分析,液滴产生过程经历了静态长大和缩颈剥离两个主要阶段。     

Y型微通道内双重乳液流动破裂机理

基于体积分数法建立了Y型微通道中双重乳液流动非稳态理论模型,数值模拟研究了Y型微通道内双重乳液破裂情况,详细分析了双重乳液流经Y型微通道时的流场信息以及双重乳液形变参数演化特性,定量地给出了双重乳液流动破裂的驱动以及阻碍作用,揭示了双重乳液破裂流型的内在机理.研究结果表明:流经Y型微通道时,双重乳液受上游压力驱动产生形变,形变过程中乳液两端界面张力差阻碍双重乳液形变破裂,两者正相关;隧道的出现将减缓双重乳液外液滴颈部收缩速率以及沿流向拉伸的速率,并减缓了内液滴沿流向拉伸的速率,其对于内液滴颈部收缩速率影响不大;隧道破裂和不破裂工况临界线可以采用幂律关系式l~*=βCa~b进行预测,隧道破裂和阻塞破裂工况临界线可以采用线性关系l~*=α描述;与单乳液运动相图相比,双重乳液运动相图各工况的分界线关系式系数α和β均相应增大.     

T型微通道制备可控粒径SiO2的微球数值模拟

通过数值模拟对T型通道中微液滴粒径控制的主要因素进行探讨,并结合实验验证确定了稳定控制液滴粒径的条件。结果表明离散相与连续相入口管径比及流速比是控制粒径的主要因素,并获得了50,80,120 m粒径的SiO2微球（入口管径比为5,流速比为4,6,10）,其球形度大于93%,单分散性小于5%。实验结果与数值模拟匹配性较好。     

T型微通道中液滴半阻塞不对称分裂行为研究

液滴不对称分裂是获得不同尺寸微液滴的优选方法,研究液滴不对称分裂行为对于生物医学、能源化工及食品工程等领域具有重要意义.本文研制T型微通道芯片并设计搭建T型微通道液滴半阻塞不对称分裂行为可视化实验平台,研究流量调控对微液滴分裂比的影响规律,并建立理论模型对分裂比进行预测,得到以下结论:液滴不对称挤压分裂过程分为挤压前期、挤压后期和快速夹断阶段,在挤压前期,液滴颈部宽度随时间呈线性变化,在挤压后期,颈部宽度随时间呈指数关系,而在快速夹断阶段,液滴颈部向心收缩的界面附加压力占主导,液滴颈部宽度剧烈收缩,呈断崖式减小;调控分支通道流量可对液滴不对称分裂比进行调控,且调控作用受毛细数影响较大;基于液液流动压降模型的液滴分裂比预测模型能够有效预测液滴分裂比.     

分叉微通道内液滴动力学行为的格子Boltzmann方法模拟

本文采用格子Boltzmann方法模拟了液滴在分叉微通道中的迁移过程,主要分析壁面润湿性、毛细数、出口流量比对液滴动力学行为的影响机制.结果表明:当毛细数足够大时,液滴在支通道的迁移行为与壁面润湿性密切相关,对疏水壁面,液滴在主通道发生破裂生成两个子液滴,子液滴完全悬浮在支通道中并流向出口.而对亲水壁面,液滴首先同样破裂成两个子液滴,不同于疏水情形,子液滴紧接着发生二次破裂,导致部分二次子液滴黏附在固体表面上,另一部分流向出口;当毛细数足够小时,液滴则滞留在分叉口处,不发生破裂.最后,还发现通过调节出口流量比可以使液滴发生非对称破裂或者不破裂完全从流速较大的支通道流出.     

微圆管内流动凝结换热的实验研究

本文对水平微圆管内凝结两相流流型进行了可视化观察,对流动和换热特性进行了实验研究。实验中只观察到 三种流型:柱塞状流、环状流和毛细泡状流。柱塞状流在质量小流量时才出现,流量较大时,流型以环状流和毛细泡状流 为主。实验的Nu数在某一Re数下具有最大值,而流动凝结的压降随Re数的增大单调增大。     

电场作用下微液滴变形和破裂的数值研究

采用电场对微液滴进行精确操控在化工、生物医学、能源和环境领域具有广阔的应用前景。准确预测外加电场作用下黏性液滴的变形与破裂行为,是精确操控微液滴行为的重要前提。本文基于漏电介质模型发展格子Boltzmann有限差分混合数值方法对恒稳电场作用下的液滴变形与破裂行为进行研究,结果表明:本文数值方法可对恒稳电场作用下液滴的小变形进行准确预测,验证了该模型的有效性和准确性;对于沿垂直于电场方向变形的液滴(扁平型),液滴随电场毛细数的增加呈现四种不同的形态:椭圆形、类椭圆形、哑铃型和破裂;对于沿电场方向变形的液滴(扁长型),其变形参数随电场毛细数的变化与扁平型液滴显著不同,液滴呈现的形态包括椭圆形、类椭圆形、周期振荡和破裂。在液滴变形阶段,扁平或扁长型液滴均随电场毛细数的增加而变形增大;液滴破裂阶段,破裂所需时间均随电场毛细数的增加而缩短。研究工作为深刻认识电场作用下微液滴变形和破裂机制提供理论基础。     

二乙烯基苯泡沫空心球微流体成型技术

基于微流体成型技术,设计开发了一套用于微胶囊制备的T型微通道乳粒发生器,并利用该装置实现了二乙烯基苯空心泡沫微球的连续制备。以二乙烯基苯的邻苯二甲酸二丁酯溶液为油相,以聚乙烯醇的水溶液为外水相,去离子水为内水相,成功制备出二乙烯基苯双重微乳液,并采用水平旋转加热装置使其凝胶固化,再经过溶剂交换、CO2超临界干燥等过程,制备出直径700～1200μm、壁厚60～100μm、密度90～120mg.cm-3的二乙烯基苯空心泡沫微球。利用光学显微镜、扫描电镜和X-透射显微镜表征,结果显示:微胶囊球形度、同心度和壁厚均匀性较好,成活率较高,直径单分散性较好,外表面较粗糙。     

高热流作用下微通道内的周期性射流特性

在低质量流速和高热流密度下,对深度为30μm的微通道内的流动沸腾进行了实验研究,发现了毫秒级周期性喷射流型、液膜的波动及液丝的断裂现象.分析表明,喷射周期的长短与沸腾数(Bo)有关,界面非平衡蒸发导致液丝失稳及液膜波动;微通道宽度方向上的Marangoni效应引起液膜和液丝的收缩、波动及断裂.     

Y型微通道内气泡非对称破裂行为的数值研究

基于微通道两相流的微流控技术已得到广泛的应用,精确控制通道中气泡或液滴的尺寸对相关微流控系统的设计起到至关重要的作用.本文基于流体体积法重构Y型微通道内的气泡破裂行为,系统研究了气泡无量纲尺寸(1.2—2.7)、出口流量比(1—4)以及主通道雷诺数(100—600)对气泡破裂行为的影响.发现气泡非对称破裂过程分为3个阶段:延伸阶段、挤压阶段和快速破裂阶段.在气泡初始尺寸较小或出口流量较大的情况下,气泡不破裂,只经历延伸阶段和挤压阶段.进一步针对不同尺寸和出口流量比揭示了气泡的4种破裂模式:隧道-隧道破裂、阻塞-阻塞破裂、隧道-阻塞破裂和不破裂.随着出口流量比的增大,气泡的破裂过程逐渐变为非对称破裂,其破裂模式沿隧道-隧道破裂/阻塞-阻塞破裂、逐渐向隧道-阻塞破裂和不破裂方向转变.在此基础上获得了不同雷诺数和初始气泡尺寸下,气泡破裂的临界流量比以及气泡破裂后子气泡体积比随出口流量比的变化规律并提炼了相应的准则关联式,可为精确调控破裂后子气泡的尺寸提供理论指导.     

矩形微通道中气–非牛顿流体两相流实验研究

本文通过实验研究了空气与非牛顿流体在小尺寸矩形微通道中的两相流动特性,给出了在不同气液两相流速下的流型图。同时比较了气液两相流速,液相黏度,表面张力,微通道尺寸对各流型分布区域以及Taylor气泡/液柱长度的影响。发现气液两相流流速变化对流型区域的影响极为明显,而黏性力和表面张力只是在局部范围改变了流型分布。Taylor气泡长度随气液两相流速比增大而增大,随液相黏度及表面张力增大而减小。液柱长度随液相黏度增大而增大,随两相流速比及表面张力增大而减小。最后,我们给出了基于无量纲数JG/JL,Re和Ca的Taylor气泡/液柱长度预测公式,公式预测结果与实验结果基本一致。     

微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

流动聚焦型微流控体系中的液滴的图案化排列和转变模式

流体在微流通道中形成剪切流场(低雷诺数)．不同于宏观体系,由于剪切力和表面张力的竞争作用,产生的液滴在微尺度下的微流通道中形成特殊的排列现象---周期性类似“晶格”排列现象．设计了新型流动聚焦型微流控芯片,分析研究在微流体系中液滴周期性图案化排列和转变机理性,液滴排列模式受两方面因素影响：水油两相的流速比值和微通道尺寸．当微通道宽度为250或300 μm时,液滴形成单层分散,双层和单层挤压排列．当微通道宽度为350 μm 时,液滴会形成单层分散到三层排列到双层挤压最后到单层挤压排列．当出口通道宽度增加到400 μm时,甚至出现了液滴四层排列的现象．同时研究了各个液滴排列模式的“转变点”.     

电场对协流式微流控装置中乳液液滴生成行为的调控机理

建立了直流电场作用下协流式微流控装置中单乳液液滴乳化生成过程的非稳态理论模型,并开展了数值模拟研究,揭示了电场对液滴乳化生成动力学行为的调控机理,阐明了流场/电场参数对液滴乳化生成特性的影响规律.研究结果表明:沿流体流动方向施加静电场可在电物性参数不同的两相流体界面法线方向上产生指向内相流体的电场力,进而强化了内相流体界面的颈缩和断裂,提升了液滴生成速率和形变程度,减小了液滴生成尺寸;在同一毛细数下,随着电毛细数的增大,乳液乳化流型由每周期仅有单一液滴生成的滴式流型转变为每周期有一个主液滴并伴随有卫星液滴生成的滴式流型;随着毛细数和电毛细数的增大,黏性拖曳力以及电场力作用增强,使内相流体颈缩过程后期更容易形成细长型液线,从而有助于诱发液线上产生Rayleigh-Plateau不稳定现象,继而促进卫星液滴的形成.     

嵌入式微通道散热器实验与数值研究

针对高热流密度固体激光器的散热问题,借助微机电系统(MEMS)技术,利用微通道/热源协同设计方法,换热器采用连续S型微通道,并利用歧管形成分层分段流动,研制出了一套微型紧凑的嵌入式歧管S型微通道散热器,并开展了实验研究。使用HFE-7100作为冷却工质,在发热面局部最高温度小于100℃、平均温升小于45℃的情况下,两相时可带走625 W/cm²的热通量,相比传统的歧管矩形微通道散热器提高了12%,但流阻增大了约56%;利用数值模拟方法,通过改变S型的振幅和波长,根据发热面平均温度、换热面平均努塞尔数、压降和综合性能因子来评估S型微通道散热器的结构参数对其散热能力和流动阻力的影响,寻找S型微通道的最优结构设计参数组合。结果表明该散热器的综合性能因子在一个特定的S型形状下存在最佳值。     

“神舟”四号中的流体物理实验

在多年地基研究的基础上 ,作为载人航天工程应用系统的有效载荷 ,在我国“神舟”四号飞船返回舱在轨飞行期间进行了大Marangoni数 (Ma)液滴热毛细迁移空间微重力实验 .实验中FC - 75液和 5cst硅油分别为滴相和连续相实验流体介质 ,研究了在稳定、长时间的微重力环境中 ,不同温度梯度条件下液滴热毛细迁移的现象及特征 .Marangoni数到达 5 5 0 0 ,很大地扩展了过去液滴热毛细迁移实验的Ma参数范围 .实验结果表明 ,大Ma数液滴热毛细迁移特征规律复杂 ,迁移速度与YGB模型线性预测有明显的差别 .文章介绍了液滴热毛细迁移研究进展 ,给出了此次空间实验的一些主要结果 .讨论了大Ma液滴热毛细迁移的特征 ,并对自行研制的空间实验设备、实验过程进行了简要介绍     

同向流动微气泡产生与分裂的实验研究

本文使用高速CCD可视化技术研究硅微通道内气液等温同向流动微气泡形成过程.作为离散相的空气和连续相的水,流经各自通道后汇聚在主通道前段;在一定的流量比值范围内,连续产生大小均匀的微气泡;发现存在bubbling和jetting两种微气泡形成模式.气泡产生频率随空气和水的流速增大而增加.最后研究了气泡在T型微通道出口处的行为,观察到分裂和不分裂两种形式并进行了分析.     

硅微通道凝结相变过程中的喷射流现象与分析

喷射流是微通道凝结相变过程中环状流向泡塞状流演变过程中的一种独特相变流动形式.借助于显微可视化技术,本文对水力直径为77.5 μm的梯形硅片微通道中的蒸汽喷射流动现象进行了报道,分析了喷射流的形成机制和影响因素,给出了硅微通道中喷射流发生部位与Re数和Bo数的关系式.研究结果对认识微通道凝结流型演变规律具有重要意义.     

疏水微通道内流动冷凝流型实验研究

实验观测了水力直径为150μm,宽深比3,通道壁面水接触角为130°的疏水矩形微通道内的流动冷凝过程。发现疏水微通道内的流型主要有珠状流、珠状-环状复合流、珠状-喷射复合流和弹状-泡状流。由于壁面的疏水性,喷射流处仍能观察到珠状凝结。珠状-喷射复合流的位置随入口蒸汽Reynolds数的增大而向通道出口移动,喷射频率随Re_v增大而增大。珠状-喷射复合流之后为弹状-泡状流,喷射流产生汽泡会冲击前一汽泡并合并流向通道出口。