CAS-LIBB单粒子微束装置的微束入射点位置确定和系统定位精度研究

中国科学院离子束生物工程学重点实验室建成了一台单离子微束装置(CAS-LIBB)。CAS-LIBB装置由一台van de Graaff 静电加速器产生能量在2.0-3.0 MeV 的离子。该微束系统主要用于实施对生长在一种薄塑料膜上的细胞核的指定位置投射预定个数离子的技术。系统采用安装在束流末端的石英毛细玻璃管作为瞄准器来实现束流的微化并截取微束。细胞辐射实验中对细胞的识别和定位由一套计算机集成控制程序来完成。本文将从对微束的捕捉和定位（确定离子出口的准确位置），以及该微束系统的定位精度测量方面进行研究和讨论。当采用内径为5 μm,长度为980 μm的毛细管作瞄准器时，系统的定位精度为：91％的实验对象定位在距离预定位置2.4μm的范围内，98％的实验对象定位在距离预定位置3.6μm的范围内。     

单液滴正碰球面动态行为特性实验研究

在考虑空气阻力影响,确定液滴撞击球面速度的基础上,对较高韦伯数液滴撞击干燥球面动态行为过程进行了实验研究,分析了球面曲率与韦伯数对液滴撞击行为和铺展因子的影响,并与前人撞击平面结果进行了对比.实验表明,靠近撞击球面时,液滴降落速度出现明显波动;球面曲率对液滴撞击后行为影响明显,曲率较大时,液滴撞击后铺展液膜会超出球面直径并滑落,曲率较小时,液滴撞击后在球面上呈现明显的铺展、回缩、震荡、着附动态变化行为,此时最大铺展因子受曲率影响小,随曲率减小,逐渐趋向于撞击平面时的最大铺展因子;韦伯数对液膜铺展速率影响较小,但对液膜回缩时间影响明显,最大铺展因子随韦伯数增加逐渐增大,获得的关联式呈指数变化.     

自润湿流体液滴的热毛细迁移特性

采用数值模拟方法研究了自润湿流体液滴的热毛细迁移特性.基于润滑理论和滑移边界条件建立了二维液滴运动的演化模型,分析了液气界面张力极小值对应温度在壁面上的位置(临界点)与液滴位置间的相对关系对液滴运动特性的影响.结果表明,对于壁面润湿性不随温度变化的情形,随液滴初始位置相对临界点的向左移动,液滴的迁移方向发生改变,但液滴受热毛细力驱动总是向界面张力高的方向移动.对于壁面润湿性随温度变化的情形,无论液滴初始放置于临界点何处,受高温侧壁面润湿性恶化的影响,液滴均向低温区迁移;随液滴初始位置相对临界点的向左移动,液滴受方向向左的热毛细力增大,提高了其向低温区的迁移速率.控制自润湿流体液滴运动可通过调控临界点与液滴位置间的关系来实现,欲抑制液滴向低温区的迁移,则应将液滴放置于临界点右侧.     

微尺度下锥形微操作探针表面液滴形成的研究（英）

基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取,锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型,主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动,研究了影响操作液滴的关键参数,分析表明：过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析,并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台,实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明：在空气冷凝模式下,操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成,液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴,且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。     

微尺度下锥形微操作探针表面液滴形成的研究（英）

基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取,锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型,主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动,研究了影响操作液滴的关键参数,分析表明:过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析,并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台,实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明:在空气冷凝模式下,操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成,液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴,且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。     

薄液滴在润湿性受限轨道上的热毛细迁移特性

通过固体表面改性可对液滴热毛细迁移过程进行调控.基于润滑理论和滑移模型建立了均匀温度梯度作用下液滴在润湿性受限轨道上运动的数学模型,通过将基底划分成亲水区域和疏水区域构建了润湿性受限轨道.结合接触线动力学提出了三维液滴在不同方向上接触线移动速度的计算方法,得到了液滴热毛细迁移的演化历程,分析了轨道宽度和润湿性对液滴迁移特性的影响.研究表明:液滴主体受温度梯度作用由高温区向低温区迁移,液滴后缘在移动过程中与主体部分间形成一层薄液膜,即薄液膜拖尾.液滴在垂直于轨道方向上的铺展受到抑制,收缩到轨道边缘后保持定扎状态.前进接触线移动速度开始时迅速减小,后缓慢降低趋于平稳;前进接触线移动速度与轨道宽度呈负相关.垂直于轨道方向上的壁面润湿性限制导致的排挤作用,在初始的短暂时刻对液滴在轨道上的热毛细迁移具有加速作用.液滴前进接触线移动速度与轨道润湿性呈正相关.增强轨道润湿性使得后退接触线移动速度的初始值增大,但对其稳定值影响不大.相比于改变轨道润湿性,改变轨道宽度更易于调控液滴热毛细迁移过程.     

单液滴冲击超疏水壁面的压力特性研究

雨滴撞击索类结构表面可能会激发振动及表面积冰等问题,现有研究多关注于疏水壁面及液滴撞击壁面铺展、回缩特性,鲜见涉及雨滴冲击超疏水壁面压力特性的研究.为此,采用CLSVOF方法对单液滴冲击超疏水固壁面这一过程进行数值计算,分析了液滴速度、初始直径等因素对液滴冲击超疏水壁面的压力特性、液滴动态行为特性及液滴与壁面接触时间的...     

二维单液滴内颗粒沉降特性的数值模拟研究

燃煤烟气中的含细微颗粒物浆滴经烟气夹带进入大气会对电厂周边环境造成较大的危害.高效脱除含细微颗粒物的湿烟气冷凝液滴是防控细微颗粒物污染的有效手段,而细微颗粒物在液滴内部的流动与沉降行为对液滴脱除滑动特性有重要影响.基于此,本文建立了微米尺度固体颗粒在二维单液滴内的自由沉降运动模型,数值模拟研究了颗粒粒径、液滴形貌参数、...     

直流电场作用下生物柴油液滴的雾化特性和燃烧特性研究

设计搭建了电场作用下燃油液滴燃烧实验装置,对比了不同电压下生物柴油液滴的形态演变、变形程度、子液滴等行为,分析了不同电压下液滴火焰形貌演变、火焰尺寸等燃烧特性及最高液滴温度变化。结果表明,电压为3 k V和4 k V的电场会诱发生物柴油液滴产生锥射流,其破碎生成子液滴,尺寸范围为20～120μm,速度基本低于2.5 m·s^-1;受电场对火焰和液滴的综合影响,火焰变化主要表现为高度减小、宽度增大,纵横比减小;电压为1 k V和2 k V的电场降低了最高液滴温度,而当电压增加至3 k V和4 k V时最高液滴温度增加。     

高温熔融液滴的破碎特性研究

本文采用高速摄影和数字图像处理技术对高温熔融液滴与冷却水作用时的破碎现象进行了研究,用图像技术对高速摄影(1000 fps,512×512象素)照片进行处理,识别液滴破碎后所形成的碎片,并统计出碎片的数目及尺寸分布;还对液滴温度、冲击速度、水温等因素对液滴破碎过程的影响进行了实验研究和分析。研究结果表明,随着实验条件的改变,液滴破碎后的碎片有三种典型形态,冷却水温度对碎片形态有重要影响;碎片的当量直径符合累积高斯分布,分布曲线可用Sigmoid函数表示;冷却水温度越高,冲击高度越大,液滴温度越高,液滴的破碎过程进行得越彻底。     

离子液体液滴在加热平板上的铺展特性研究

采用FLIR红外热像仪对离子液体及其水溶液液滴撞击加热平板后的表面温度分布进行研究,分析了液滴铺展直径随平板加热温度及加热时间的变化规律。结果表明:随着液滴与平板加热时间的增加,液滴表面温度分布均由凹状分布变化至均匀分布;随着平板温度的增加,液滴表面温度增加。随着加热时间的增加,水液滴直径缓慢减小,并在某一时刻急剧降低;而对于60wt%离子液体液滴及纯离子液体液滴,液滴直径反而缓慢增加并趋于稳定。随着加热温度的增加,水液滴直径急剧降低的时刻点前移,对于60wt%离子液体溶液液滴,液滴直径变化规律不明显,而对于纯离子液体液滴,液滴直径逐渐增加。     

微液滴动力学特性的耗散粒子动力学模拟

对传统的耗散粒子动力学方法进行了改进.改进的耗散粒子动力学方法采用了包含远程吸引力和近距排斥力的保守力势函数,从而使得用耗散粒子动力学方法模拟多相流动成为可能.应用改进的耗散粒子动力学方法,对微尺度下液滴的形成及液滴在微重力下的大幅度振荡变形进行了数值模拟.计算结果表明,改进的耗散粒子动力学(DPD)方法能够有效地描述微尺度下液滴的动力学特性,对研究复杂流体多相流动有着重要的意义. 关键词： 多相流 微液滴 耗散粒子动力学(DPD)方法 保守力势函数     

液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究

利用高速摄影仪记录了不同液滴撞击固体表面的形态变化过程, 并探讨了液滴撞击参数对撞击过程液滴形态的影响. 结果表明: 液滴黏度对液滴铺展过程起着决定性作用, 液滴表面张力对液滴铺展后的回缩起到主导作用, 两者的共同作用决定着液滴的震荡特性; 撞击速度的提高会增大液滴的最大铺展因子, 但达到最大铺展的时间因表面张力的不同呈现不同变化规律.     

非球面液滴微透镜固化控制和焦斑测量研究

利用电场改变液滴透镜的面形得到非球面,并实时检测其面形和焦斑图像,在适当的时候用紫外光固化液滴制作具有良好光学性能的非球面微透镜.比较了非球面液滴微透镜在固化前后面形、焦斑的变化和对透镜性能的影响,讨论了液滴透镜在固化过程中变形的机理和相应的解决方法.用分辨率50 nm的光斑探针扫描仪精确测量了固化后的非球面微透镜的聚焦光斑,测得了光斑轴向分布曲线和均方根直径3.384μm的聚焦光斑,经图像处理计算了透镜的点扩散函数和光学传递函数,评价了所制作的非球面微透镜的聚光和成像能力,并给出了透镜的实际成像图像,对于完善高品质非球面微透镜及其阵列的制作工艺具有重要意义.     

液滴法制备空心玻璃微球的模拟计算

通过对液滴法制备空心玻璃微球的成球过程进行分析,建立了成球过程数学模型,定量描述了液滴的形成、液滴的封装、凝胶球壳的形成与干燥,发泡剂的分解,球壳的预热与熔炼、冷却与收集等过程中,液滴/球壳的大小、速率、壁厚、气压等随操作条件的变化,计算了抽气速率、发泡剂浓度、玻璃溶液浓度和初始液滴大小等的改变对成球过程的影响,并进行了初步验证实验。     

液滴法制备空心玻璃微球的模拟计算

 通过对液滴法制备空心玻璃微球的成球过程进行分析,建立了成球过程数学模型,定量描述了液滴的形成、液滴的封装、凝胶球壳的形成与干燥,发泡剂的分解,球壳的预热与熔炼、冷却与收集等过程中,液滴/球壳的大小、速率、壁厚、气压等随操作条件的变化,计算了抽气速率、发泡剂浓度、玻璃溶液浓度和初始液滴大小等的改变对成球过程的影响,并进行了初步验证实验。     

微粗糙结构表面液滴浸润特性的多体耗散粒子动力学研究

超疏水表面因其优异的自洁作用一直是表面科学领域关注的重点.本文使用多体耗散粒子动力学(many-body dissipative particle dynamics, MDPD)方法模拟研究了不同粗糙结构下液滴的浸润特性, 并与Cassie-Baxter理论进行了对比. 研究使用了一种具有长吸短斥作用的流固作用函数来获得不同的液滴浸润性, 并利用一种简洁的数值方法来测量接触角. 模拟结果表明本研究方法能够稳定地捕捉到液滴在粗糙表面的静态和动态特性. 模拟了粗糙结构对三相接触线运动的黏滞作用, 与物理实验结果相符合, 表明Cassie-Baxter理论在实际应用中尚存在一定局限性. 研究分析了在动态铺展过程中的能量转化关系, 并指出在低值表面容易引起液滴反弹.     

液滴法制备高尺度比玻璃微球壳的研究

 定量给出了液滴法制备玻璃微球壳（HGM）的直径与壁厚之间的依存关系,确定了制备大直径薄壁HGM的液滴炉温度分布、抽气速率、溶液浓度和液滴发生器操作参数等工艺条件,制备出直径为300～450μm、壁厚为0.7～1.2μm、尺度比为300～700的HGM,表面粗糙度优于10nm,球形度和同心度均优于97%,耐外压能力大于0.91MPa,耐内压能力至少大于0.43MPa。     

液滴法制备高尺度比玻璃微球壳的研究

定量给出了液滴法制备玻璃微球壳（HGM）的直径与壁厚之间的依存关系,确定了制备大直径薄壁HGM的液滴炉温度分布、抽气速率、溶液浓度和液滴发生器操作参数等工艺条件,制备出直径为300～450μm、壁厚为0.7～1.2μm、尺度比为300～700的HGM,表面粗糙度优于10nm,球形度和同心度均优于97%,耐外压能力大于0.91MPa,耐内压能力至少大于0.43MPa。     

T型微通道中微液滴被动破裂的可视化实验研究

本文搭建了微流体实验平台,对T型微通道内微液滴的对称被动破裂进行可视化实验研究,探索微液滴破裂的机理。采用横截面为200μm×100μm或100μm×100μm的微通道,用改性硅油和花生油作为连续相,去离子水作为离散相,在毛细数为0~0.1的范围下,捕捉到了T型微通道被动破裂的隧道破裂、不连续阻塞破裂、永久阻塞破裂和未破裂等四种流型,绘制了流型图并获得了临界毛细数与微液滴的无量纲轴向长度经验关联式,用来预测不同结构及尺寸微通道发生破裂等与未破裂的条件.