微重力下成一定夹角平板间的表面张力驱动流动的研究

空间微重力环境中,由于重力基本消失,表面张力等次级力发挥主要作用,流体行为与地面迥异,因此有必要深入探究微重力环境中的流体行为规律和特征.板式贮箱利用板式组件在微重力环境中对流体进行管理,从而为推力器提供不夹气的推进剂,这对航天器精确进行姿态控制、轨道调整具有重要意义.板式组件中常包含成一定夹角的平板结构,比如蓄液叶片之间.本文研究了微重力环境中成一定角度平板间的表面张力驱动流动问题,考虑了液体与壁面的动态接触角、对流引起的压力损失、黏滞阻力、液池内弯曲的液面等因素的影响,推导出了表面张力驱动流动中液体爬升高度的二阶微分方程.该方程可用四阶Runge-Kutta方法求解.通过同时考虑两个主导力,可将流动过程分为三个阶段,并得到了不同阶段内的爬升高度的近似方程.本研究建立了6个不同尺寸的计算模型、选用3种不同型号的硅油,利用有限体积法开展仿真工作,仿真结果与理论结果吻合良好,验证了理论解的正确性.本文的研究结果可为板式贮箱的研制和空间流体管理提供理论依据和数据支撑.

表面张力驱动下挡板对微通道混合效果的影响

微流控系统由于微通道尺寸变得越来越小,所以原先传统的外力驱动方式遇到了很大的困难。而表面张力驱动微流体不需要任何外部能量源,对于设备小型化和集成化非常有优势。课题组通过对微混合通道内设置挡板,改变挡板的结构参数,通过数值模拟来研究表面张力驱动下挡板结构参数对混合效果的影响。研究结果表明:设置了挡板后微通道的混合效果显著提高;同时随着挡板结构参数的改变,微通道的混合效果也随之呈现出一定的变化规律。挡板的设置扰乱了微流体的流动,使得流体间的界面接触变多,混合效果得到提高。

微流体驱动以及控制技术

结合现有的技术状态,探析微流体驱动和控制的相关技术。

利用PIV方法测量半浮区液桥热毛细对流的速度场

利用PIV法对硅油液桥热毛细对流的定常速度场进行了实时测量。为了便于测量,液桥上桥端面采取了铜环中嵌透明材料的方法,从液桥的顶部进行观测。当液桥上下桥有温差时,热毛细对流出现;本实验对于不同上下桥的温差,对液桥横剖面内的速度场分别进行了测量,研究外加温差对于流场速度分布的影响;并且在液桥中取了几个典型横截面进行测量,以期对大Pr数液桥的定常速度场有比较全面的定量测量。此外,实验结果也可作为数值模拟计算结果的验证。