周期性压力对T型微管内二元流体混合效果的影响

在微流动领域经常涉及到试剂的混合问题,但是在微设备中,雷诺数Re低,流体趋向于形成层流,很难发生有效的混合.通过对微管内流体施加周期性压力使流速随时间呈周期性变化可以有效促进微流动混合.运用格子Boltzmann方法模拟了T型微管内流体的流速随时间呈正弦曲线变化而导致的混沌现象.结果发现,混沌混合的效果取决于两流体流速的相位差、流速的变化周期和系统的雷诺数Re.

T型通道微流控芯片中液滴生成的影响因素研究

高效、可控的微液滴生成技术在药物封装、病毒检测、材料筛选、细胞培养、微流控芯片等生化领域具有广泛的应用前景。而液滴生成频率、大小以及生成位置是试剂定量以及结构改进的重要参考因素。该文基于两相流理论,采用水平集方法追踪连续相与分散相流体界面,探讨了不同流速比情况下壁面接触角、通道宽度比以及主管长度比对的液滴生成频率、大小和生成位置等的影响。结果表明:主要捕捉到分层平行流、段塞流、滴状流和泡状流四种流型,其中滴状流型分布较广,是稳定生成液滴中出现最多的一种流型,只要流速比η足够大(η≥3.0),在不同毛细数下,均能生成。压力差是段塞流的主要生成因素,而滴状流和泡状流液滴主要是由黏性剪切力、压差和界面张力的共同作用形成;流速比越大,液滴生成频率越高,直径越小,生成位置越远;接触角越大则连续相流体与壁面粘滞力越大,从而提高了两相流界面的剪切力,加速了液滴脱落,液滴生成频率增加,同时,凝并时间缩短,也使得液滴直径减小。但是接触角对液滴生成频率和大小的影响有限,而对生成位置的影响较大,尤其在接触角θ_(w)≥160°后液滴生成位置曲线呈收敛趋势,因此更高的连续相与壁面间黏性有助于提高系统的可控性;在流速比不变的情况下,通道宽度比λ对液滴的生成有促进作用,液滴生成频率、大小和生成位置均随通道宽度比的增加呈递增趋势。λ=0.3-0.55区间是不同流速下均能生成液滴的稳定区间;主管长度比φ=15为液滴生成位置的临界点,此时液滴生成位置较稳定;总之,液滴生成位置受接触角、主管长度比和通道宽度比的影响较大,接触角、主管长度比越大,管内沿程阻力越大、压力幅值越高,则生成位置越提前。而通道宽度比越大,则流动越顺畅,促使液滴生成位置靠后,越来越远离交叉口。

T型微通道内非牛顿微液滴生成过程研究

为了研究T型微通道内非牛顿流体微液滴生成过程,文中采用流体体积模型对该过程进行了数值模拟,并开展高速显微实验对数值模拟结果进行准确性验证。结果表明:T型微通道内非牛顿流体液滴生成存在挤压和剪切2种机制;离散相流量不变,随着连续相毛细数的增大,不同质量浓度的聚合物水溶液离散液滴的相对长度均呈减小趋势;液滴的相对长度随聚合物质量浓度变化呈现出非单调性,初始阶段随着聚合物质量浓度从0增加到150 mg/L,液滴相对长度逐渐减小,当质量浓度提高至150—300 mg/L时,液滴相对长度逐渐增加。研究结果可为非牛顿流体微液滴制备技术的发展提供参考。

微通道内气液两相Taylor流数值模拟

本文采用FLUENT软件对T型微通道内气液两相Taylor流进行模拟,得到了各物理参数对Taylor流的影响规律。在此基础上,采用最小二乘法进行拟合,得到了可以更准确预测T型通道内气液两相Taylor流气泡和液柱长度的经验关联式。

T型微通道内两相流流型及相分离特性

以氮气和水为工作流体,在矩形截面为100μm×800μm的T型微通道内进行了气液两相流可视化实验,观测到弹状流、弹状-液环流、环状流、分层流和搅拌流,得到了流型图和流型转换界限。通过对比对弹状流、环状流和分层流相分离实验结果,证明在T型微通道内气液两相流相分离特性受上游流型影响。上游流型为弹状流时,气体优先从侧支管采出;上游流型为环状流时,液体优先从侧支管采出;上游流型为分层流时,气体只从其中一条支管中采出。当流型一定时,液相采出分率随着入口液体速率增加而减小,而气体速率变化对液相采出分率影响不大。

T型微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟

利用VOF模型对T型结构微流控芯片中微液滴的三维破裂过程进行了数值模拟,获得了液滴发生破裂和不会破裂两种流型。一定轴向长度的微液滴对应着一个临界毛细数,当主流流体的毛细数大于此临界毛细数时,微液滴发生破裂并分别流向T型结构两侧;否则不会发生破裂,微液滴流向任意一侧。通过多个工况的计算,拟合了临界毛细数与微液滴相对轴向长度的关系,探讨了黏度比对微液滴破裂的影响。发现黏度比越小,微液滴越易发生破裂。

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。

T型硅微悬臂梁频率温度系数的测试研究

为了获得T型单晶硅微悬臂梁的固有频率温度系数,首先从理论上分析了T型微悬臂梁的固有频率随温度的变化规律,并建立了其固有频率的温度系数模型。随后搭建了带有高温环境加载功能的MEMS微结构动态特性测试系统,采用OFV534激光多普勒测振仪获取微结构的振动响应,采用基于压电陶瓷的底座激励方法实现对微结构的激励,在激励装置中采用了一个可动机构,解决了压电陶瓷在高温环境下使用的难题。最后,使用带有高温环境加载功能的MEMS微结构动态特性测试系统,测试了一种典型T型单晶硅微结构的动态特性,测试温度范围为室温~300℃,得到硅微悬臂梁的固有频率温度系数约为-2.71×10-5/℃,与理论分析的结果具有很好的一致性。

空泡在T型微通道中的分裂特性

在不同流速下通过精确控制空气和水的入口速度比,获得了不同体积的空泡.借助高速摄像系统记录产生的空泡在T型微通道分岔处分裂的全过程,并采用计算流体动力学对空泡运动过程进行数值模拟.分析了空泡体积和流场速度对空泡分裂特性的影响,从而得出空泡分裂的判据.结果表明:空泡在T型微通道中的分裂包含5种方式,与流场速度和空泡体积相关—流场速度越大,空泡体积越小,空泡发生分裂越剧烈;微通道尺度越小,流体黏性、表面张力以及流速对空泡分裂特性的影响越显著.

T型微通道和一锅混合法制备纳米二氧化硅影响因素研究

利用T型微通道法和一锅混合微乳液法可控制备了纳米二氧化硅。研究了环己烷、正丁醇、表面活性剂(OP-10)、氨水和正硅酸乙酯(TEOS)用量对T型微通道法和一锅混合法制备纳米二氧化硅的影响。同时对两种方法制备的纳米二氧化硅的粒径及比表面积进行了对比,分析和探讨了两种方法的优缺点。研究结果表明:上述因素均可调节纳米二氧化硅的粒径和比表面积,二氧化硅的粒径均随其用量的增加先减小后增大,比表面积则与其相反。另外,T型微通道法较一锅混合法通过控制进样速度使得调控更为精确,制备的纳米二氧化硅粒径更小、分布更窄,平均粒径为66～300 nm,比表面积为16～90 m2/g。

T型微小通道内两相流分流与分离调控研究进展

T型通道内的两相流流动和传递过程广泛存在于石油化工、生物制药、电子冷却等领域,而伴随社会进一步微型化、精细化的需求,微小尺度下T型通道内的流动过程及界面受力分析研究的重要性逐渐凸显。尺度的减小使得流动过程中主导作用力由重力等体积力转变为毛细力等表面力,界面运动及相作用机理也随之发生变化;同时,在微尺度下,等径与非等径T型微通道使得两相流流动呈现相分流和相分离两种具有本质区别的流动规律。从小尺度、微尺度和跨尺度三个方面对T型微小通道内两相流分流与分离的研究进展进行整理和分析。目前,等径微通道中相分流的研究多以实验为主,探索各种因素对两相分流特性的影响,诸如入口流型、表观速度、表面张力等;而真正针对非等径微通道内实现相分离的研究较少,且仅限于关注实现两相完全分离的条件及分离性能。鉴于微尺度尤其是非等径跨尺度T型微通道内相分离界面运动复杂、界面受力难于测量等原因,直至如今,相分离过程中的界面受力分析、分离机理以及相分布的主动调控仍是阻挡多孔结构在多相工质中高效利用的关键科学问题;急需实验与数值相耦合的机理研究,最终实现简单多孔结构在实际多相流场合中的广泛应用。

不同T型微通道内弹状流相分离规律的实验研究

为获得不同形式顺流T型、冲击T型跨尺度通道对两相流流型的不同调控作用,设计跨尺度-并行多T型管-单晶硅方形通道,增大分液量的同时获得更接近实际应用的多分支口最长气弹伸缩长度;利用高速压力监测系统及高速摄像监测系统分别监测T型分支通道的压力及两相流界面运动,获得不同形式微通道相分离弹状流的压力波动及分液规律,建立微通道内气液界面运动与宏观调控参数两相流流速、压差之间的相关性,同时证明冲击型跨尺度微通道具有更高分液能力。

T型微通道内液滴在幂律流体中运动机理的格子Boltzmann方法研究

采用非Newton不可压两相流格子Boltzmann模型研究了T型微通道内Newton液滴在非Newton幂律流体中的运动过程.研究了非Newton流体幂律指数n、主管道毛细数Ca、两相流量比Q、两相黏度比M以及主管道壁面润湿性θ对液滴在T型微通道内的形成尺寸、形成时间和变形参数(DI)的影响.研究结果表明:首先,主管道流体幂律指数n从0.4增加到1.6时,液滴的形成尺寸近似呈线性减小,而液滴的形成时间和变形参数先快速减小,然后缓慢减小;其次,黏度比对液滴形成尺寸、液滴形成以及变形参数的影响与幂律指数的影响基本一致;再者,随着Ca和主管道壁面润湿性的增加,形成液滴的尺寸近似呈线性减小,形成液滴的时间和变形参数先快速减小然后缓慢减小,且减小趋势随幂律指数的增加而减缓;最后,研究结果还表明主管道和子管道的流量比Q越大,液滴形成时间越长,液滴形成尺寸和变形参数越小.

不同流量下T型微通道结构对液滴生成特性的影响

为探究不同流量下不同T型微通道对液滴生成特性的影响,建立了适用于液液两相流模拟的计算模型,并采用了VOF法进行数值求解。模拟过程中通过改变T型微通道结构、连续相毛细数、两相流动方式、分散相流量以及两相流量比对微液滴的形成机制进行分析。结果表明随连续相毛细数增加,液滴尺寸会持续减少。两相界面周围由于速度差异会出现涡,随着速度差异增大,涡的形态也会随之改变。液滴尺寸会随着分散相流量增加先增加后减小。微通道结构以及两相流动方式的改变在高流量下对液滴尺寸近乎没有影响,但是会对能产生微液滴的两相流量比范围有较大影响。

二维T型微通道内液滴生成与梯状网络内液滴相位同步问题数值模拟

基于格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)的颜色梯度模型,研究了T型微通道内液滴生成过程,分析了连续相毛细数和两相流量比对液滴生成尺寸和液滴生成频率的影响。在此基础上,研究了微流控梯状网络中两个弹状液滴相位同步问题,分析了连续相毛细数、旁通管数目和液滴初始相位长度对液滴相位同步程度的影响。计算结果表明,T型微通道内连续相毛细数和两相流量比对液滴生成尺寸和液滴生成频率有很大影响;在液滴相位同步问题上,连续相毛细数对液滴相位同步程度有较大影响,液滴初始相位长度和旁通管数目对液滴相位同步有一定程度改善,但不能实现液滴相位的完全同步。

T型微通道内弹状流流动特性

以空气为气相介质和不同表面张力的液体(纯水、0.01%SDS溶液、0.50%SDS溶液、乙醇)为液相介质,对矩形截面为100μm×800μm的T型微通道内的气液弹状流进行了相分离可视化实验。实验结果表明:气相表观速度一定时,液相采出分率随着液体表观速度的增加而减小;液体表观速度一定时,气体表观速度变化对液相采出分率影响不大;两相的表观速度一定时,液相采出分率随着液体的表面张力降低而减小。另外,将所得的相分离实验数据与其他管径尺寸的数据进行比较,发现不同尺寸T型通道内弹状流相分离特性比较相似。

T型微通道液滴/气泡生成时间和大小的研究现状

利用微流体机械可以生成更均匀、大小可调的微液滴/气泡。文中分析了T型微通道生成微液滴/气泡的典型流型以及过程中的主要受力、微液滴形成/破碎过程的典型阶段以及相关的影响因素,总结了现有的利用力平衡方法预测微液滴/气泡大小的关系式,为有效控制T型微通道内微液滴/气泡的生成时间以及最终的体积,形成一种稳定的多相流流动提供了参考。

T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素

基于液滴或气泡的多相微流控是近年来微流控技术中快速发展的重要分支之一.本文利用高速显微摄影技术和数字图像处理技术对T型微通道反应器内气液两相流动机制及影响因素进行实验研究.实验采用添加表面活性剂的海藻酸钠水溶液作为液相,空气作为气相.研究T型微通道反应器内气液两相流型的转变过程,并根据微通道内气泡的生成频率和生成气泡的长径比对气泡流进行分类.研究发现当前的进料方式下,可以观测到气泡流和分层流2种流型,且依据气泡生成频率和微通道内气泡的长径比可将气泡流划分为分散气泡流、短弹状气泡流和长弹状气泡流3种类型,并基于受力分析确定3种气泡流的形成机制分别为剪切机制、剪切–挤压机制和挤压机制.考察不同液相黏度和表面张力系数对不同类型气泡流范围的影响规律.结果表明:液相黏度相较于表面张力系数而言,对气泡流生成范围影响更大.给出不同类型气泡流流型转变条件的无量纲关系式,实现微通道生成微气泡过程的可控操作.

T型微混合器内液相混合的数值模拟

T型混合器是微尺度条件下探索传递现象的理想模型,通过CFD方法对其内部流体力学性能及混合特征进行研究分析。首先,通过对不同Re数下T型微反应器内混合状态的模拟及分析,验证该方法对T型结构混合的可靠性;其次,通过对T型微反应器内流动形态的分析,发现涡结构的产生能够强化混合过程,并提出一种能产生强化混合的涡结构的新型T型反应器的设计理念;最后,对影响新型混合器的不同结构参数进行模拟并分析,得到该设计理念下的最优结构,并对该结构进行进一步分析,发现该结构能够扭曲混合界面以增大接触面积,从而强化混合效果。

T型微混合器合成Cu_2O纳米颗粒

采用T型微混合器通过沉淀法,以氯化铜为铜源,氢氧化钠为沉淀剂,抗坏血酸为还原剂制备出了立方体氧化亚铜纳米颗粒。考察了进料流量、氢氧化钠浓度、抗坏血酸浓度和温度对产物氧化亚铜的形貌、粒度及其分布的影响。采用X射线衍射、场发射扫描电子显微镜和紫外可见分光光度计对其进行表征。结果表明,随着进料流量的增大、氢氧化钠浓度的减小、抗坏血酸浓度的增加和温度的提高,所制备的氧化亚铜颗粒的平均粒径减小、粒度分布变窄。