典型微管道流场数值模拟与Micro-PIV检测研究

针对微流体器件中几种典型微管道进行了理论与试验研究,采用CFD流场仿真技术对压力驱动方式下90°折管、突然扩散管、弯管三种流道的流态进行数值模拟,重点介绍了电渗驱动的流场仿真技术,并以十字交叉微管道为对象进行电渗流场仿真;同时采用玻璃微加工工艺制造了上述四种微流道模型,并通过Micro-PIV技术对其相应条件下的流场进行试验测试,并定量对比与分析了仿真与试验结果,结论显示Micro-PIV是适合于微米级流场检测的最有效试验手段之一,同时通过试验也验证了N-S方程在微米级流场数值计算中是依然适用的。

灌水器内流道流场Micro-PIV试验分析

采用Micro-PIV测量技术,在雷诺数Re=200情况下分别对方形截面平角和圆角齿形结构微尺度通道内流流体运动进行测量并加以比较,寻找灌水器内流流动规律和流道堵塞机理。试验使用10倍显微物镜、14位灰阶PCO.1600相机、3?m荧光示踪粒子和仅允许610nm红光透过的滤光镜相配合获取清晰的粒子图像,通过图像处理技术得到高分辨率的流场速度矢量分布图和流线图。试验发现各类微通道齿间内流充分发展后是一种重复性流动,平角微通道顶角和转角内侧存在低速涡旋区,圆角微通道只在转角内侧出现回流,颗粒在低速涡旋区易发生沉积,是造成堵塞的主要原因。若缩小断面尺寸则低速回流区范围有所扩大,顶角转向处出现回流趋势,对防堵不利。

微通道内流流场的数值模拟及Micro-PIV测量

采用数值模拟与实验研究方法对直管微通道内流流场进行了详细研究.实验测量借助Micro-PIV技术,采用3μm荧光示踪粒子、10倍显微物镜和14位灰阶CCD相机获取微尺度流场速度分布.利用Fluent数值计算软件,将微尺度通道壁面粗糙元抽象为多孔介质模型,采用realizable k-ε两方程模型,对边长为600μm和800μm的方形断面微尺度直通道分别在Re=100和Re=300条件下进行数值模拟,模拟结果与同工况下Micro-PIV实验测量结果进行对比,结果表明基于多孔介质模拟壁面粗糙元的realizable k-ε两方程模型能够良好地模拟微尺度管流流动,并且获得了多孔介质厚度采用微尺度通道的相对粗糙度折算,多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数由多孔介质区域内的流态及阻力计算的方法.

微灌滴头内流Micro-PIV测量及流道结构优化研究

以600 m方形断面锯齿形微灌滴头为研究对象,利用Micro-PIV技术测量了滴头流道内流流场。实验平台通过显微装置、滤光技术以及采用高像素、高灰阶CCD相机进行升级,得到了详细的微通道内流流场分布信息,针对流场中存在的低速回流区进行了局部放大测量,从测量得到的速度矢量图和流线图中发现,齿尖部位存在大小不等、方向相反的2个叠加涡,下部的大涡相对稳定,上部的小涡流速更低。在此基础上,尝试采用多孔介质模拟壁面粗糙元,配合realizablek-ε模型对锯齿形滴头内流进行数值模拟,依据实验结果验证了该数值方法适用于复杂结构微通道内流流场计算,并且数值分析了锯齿形滴头的水力性能和防堵性能,进一步提出流道结构的抗堵性优化设计并进行数值计算,数值结果证实优化流道结构在抗堵和水力性能方面均得以提高。

利用micro-PIV测量矩形微管道内流量

利用微观粒子图像测速技术(micro-PIV)测量了矩形微管道内低雷诺数下速度矢量场,并以此为基础计算微管道内流体体积流量。微管道水力直径为83μm,横截面深宽比为0.155,长度为17mm。实验中获得雷诺数分别为47、127和215三工况下管道中心水平截面内速度分布。与理论速度剖面比较,管道中心的测量速度值吻合很好,偏差控制在±2%以内。利用中心速度值结合层流解析解计算微管道内平均流速和体积流量。经过误差分析得到该方法测量误差约为3.3%。实验结果表明,利用micro-PIV技术完全可以实现微通道流量的高精度测量。

利用Micro-PIV进行微管道内流量测量

为了解决微管道(水力直径小于1mm)内流量测量问题,本文利用Micro-PIV对水力直径为230μm的毛细玻璃管内流量进行测量,并对测量误差进行了分析。测量结果表明,利用该技术完全可以实现微通道流量的高精度测量。

Micro-PIV测试在体微血管血流状态的研究进展

获取在体血管内尤其是微血管内血流速度分布对心脑血管疾病的机理研究与治疗有重要的医学意义。Micro-PIV是近年发展起来的一种空间分辨率相当好的微流场测试仪器,应用较广,且在微血管内血流速度分布的测试上有独特的技术优势。本文对国内外利用Micro-PIV在体测试血流速度的研究进行了综述,结合在体测试大鼠微血管内血流速度分布的一些实验体会,探讨该方法在在体微血管内血流测试中所需的实验条件,并对Micro-PIV在该类测试中的应用前景进行了展望。

非牛顿流体微流场测量Micro-PIV系统研究

介绍了一种专用于非牛顿流体微流动测量Micro-PIV系统,主要包括微流场激发、微流动观察记录与数据处理三大部分。针对非牛顿流体流动激发形式多样性的特点,微流场激发部分包括显微镜冷热台、波形发生器和磁场发生仪,可以产生激发非牛顿流体为流场所需的电、磁及温度场。观察记录部分主要包括荧光显微镜、CCD等,用于观察并记录荧光示踪粒子的运动,获取荧光示踪粒子运动的视频文件。数据处理部分用于将视频文件进行图像处理以得到所需流场数据。应用该系统对非牛顿流体5CB液晶在电场作用下所激发的微流动进行了测量,重点测量了液晶盒侧面的速度剖面图,所得到的试验结果与计算结果非常吻合,且比传统测量方法更加快速、准确。此外,对温度场变化产生的液晶缺陷进行了试验研究,得到了连续加热冷却状态下的液晶缺陷形成温度变化趋势,即形成缺陷的温度逐渐升高,从开始的31.25℃逐渐升高至34.4℃后保持平稳。

Micro-PIV在工程流体力学教学中的应用

介绍了Micro-PIV工程流体力学教学过程中的应用。主要从以下3方面进行介绍,1.Micro-PIV的技术原理以及试验装置;2.Micro-PIV在裂隙渗流领域的应用情况;3.如何把Micro-PIV的试验相关案例与目前的矿业类工程流体力学教学相结合。

基于Micro-PIV和LBM的土壤孔隙网络中流体速度分布表征

土壤孔隙结构复杂多变,揭示其内部流场特性对于描述和预测土壤中水分传输、溶质迁移等现象至关重要.基于规则性的土壤孔隙网络模型,采用Micro-PIV(Micro-scale Particle Image Velocimetry,显微粒子成像测速系统)技术分析不同雷诺数下孔隙结构中流体运动的特征,通过LBM方法(Lattice Boltzmann Method,晶格玻尔兹曼方法)对孔隙结构中流场分布进行数值模拟研究.结果表明:微观尺度下孔隙网络模型中不同孔隙区域流速分布差异明显,中线区域流场呈规律性分布,孔喉处为高速区,流速达到0.001 4 m/s,水平方向相邻两圆柱靠近边界处存在低速区,速度不高于0.000 2 m/s,在垂直于流向方向上速度场具有良好的对称性;靠近上下边界的大孔隙区域流体优先通过,流体的速度可达到0.003 0 m/s.LBM方法模拟的孔隙网络模型中流场分布结果与试验获得的流场分布吻合,其平均均方根误差为0.009 4 m/s,表明土壤孔隙网络模型能有效模拟土壤孔隙,捕捉微观尺度上的流体运动特征,为应用孔隙网络模型研究土壤孔隙中溶质运移和反应等问题提供了微观尺度的度量工具.

微通道内单柱绕流特性的Micro-PIV实验研究

采用微观粒子成像系统(Micro-PIV)实验研究了6<Re<300范围内微通道内D=0.4mm圆柱的绕流特性,获得并分析了不同Re下不同高度流层的速度场、涡量场、湍流强度场及回流区漩涡结构。研究结果表明,微圆柱绕流出现漩涡的第一临界Re在10左右,随着Re的增大,尾流区涡长度和宽度增加,尾流区域增大,漩涡中心后移;由于黏性阻滞,越靠近微通道壁面,主流速度越低且分布越均匀;不同高度下回流区长度相同,远离壁面的平面尾流区漩涡中心沿流动方向后移;高涡量区与高湍流强度区分布在微圆柱两侧,说明该位置流体混合较为剧烈,随着Re的增大,涡量增加,高涡量区变窄、变长,湍流强度及高湍流强度区域增大,当Re>200,不同高度流层的湍流强度差别较小。

Micro-PIV技术-粒子图像测速技术的新进展

Micro-PIV是近年来发展起来的一种微尺度流动测速技术.它是传统PIV测量与光学显微技术相结合的一种整场、瞬态、定量测量方法,其基本测速原理与传统PIV相同,但在示踪粒子选择、图像获取和处理等方面两者存在较大差别.Micro-PIV突破了传统微尺度流体力学测量手段的局限性,使得对微尺度流动元件的研究从过去只能给出流量、阻力特性等有限信息逐步转向对全流场内流结构的直接测量上,并且达到了相当高的分辨率和测量精度.本文对近几年Micro-PIV技术发展状况进行了总结和分析,论述了Micro-PIV技术与传统PIV的主要区别以及具体的处理技术,反映了其在科学与工程中的应用,并对此项技术的发展作了展望.

基于Micro-PIV的微观流场检测技术

介绍了一种针对微观流场检测数字粒子图像测速技术,通过添加荧光显微装置,改进激光入射与照明方式、聚焦平面控制以及纳米级示踪粒子布朗运动误差消除算法等软硬件方面的技术创新,解决了微观检测的关键问题。针对微流体特征尺度小、精度要求高的特点,建立了具有自主知识产权的Micro-PIV微流场测试平台,并就几种典型微观流场进行了检测。试验结果表明该测试技术可对微米级稳态、瞬变流场进行全流场速度分布的检测,各项性能指标达到国际先进水平。

PDMS微流控芯片微筛阵列流场的Micro-PIV分析

针对微流控芯片上的细胞培养技术,很多微流控芯片设计力图追求高通量,但并未考虑芯片中流场的分布状态,导致细胞培养效果不佳.本文介绍了直径1μm的荧光粒子以30μL/min的速度注入芯片中,利用Micro-PIV技术对设计的含有16μm微筛阵列的PDMS微流控芯片进行流场、流速的测试与分析,得到高分辨率的流场、速度矢量分布图,并且与ANSYS软件模拟结果进行比较.实验结果表明:液体经过微筛阵列时,流速逐渐减小,流场分布稳定均一,模拟结果与实际结果吻合.

不同形状疏水性微肋阵内流场Micro-PIV流动可视化研究

运用Micro-PIV显微粒子图像测速系统对不同截面形状、不同接触角微肋阵的流动特性展开可视化研究.通过制备接触角为83°、99.5°、121.5°、151.5°的疏水表面,研究Re数为100~450时工质绕流圆形、椭圆形和菱形微肋阵速度与流线变化,并对流场进行分析.实验结果表明,在圆形微肋阵中尾涡的出现相比于宏观尺度有明显延迟,直到Re达到250时在中间的圆柱尾部才出现对称漩涡.对比3种形状微肋阵可发现,椭圆形具有的流线型结构和菱形具有的细长结构不易发生边界层分离.在经过疏水性处理后,圆形针肋尾部的边界层分离明显延迟,接触角为151.5°的表面边界层最晚分离.

流体绕流微柱群的Micro-PIV实验研究

微柱群通道内的流动特性是设计与优化其散热结构的基础。采用显微粒子测速技术(Micro-PIV)对绕流微柱群流动进行研究,测定了不同Re下的绕流流场,分析了绕流微柱群的速度场以及Re对涡结构及回流长度的影响。结果表明,随着Re的增大,微圆柱尾流区出现涡结构,回流长度逐渐增大,微尺度下柱体绕流过程中边界层分离现象相对于宏观尺度具有一定的滞后性。

基于Micro-PIV的不同截面形状微柱群内部流场特性研究

采用显微粒子测速技术(Micro-PIV)对圆形、椭圆形及菱形等不同截面形状错排微柱群绕流流动进行研究,得到了不同雷诺数(Re)下微柱群内部的速度场、流线等绕流流场信息,分析了Re与截面形状对绕流流场结构的影响规律。研究结果表明,微柱体绕流过程中漩涡脱落相对于常规尺度具有一定的滞后性;圆形微柱体背风区最早发生流动分离,菱形、椭圆形次之;随着Re的增大,微柱体尾流区出现涡结构,回流长度逐渐增大,在三种截面形状微柱群绕流流动中圆形截面微柱群的回流长度和回流区域最大。

基于Micro-PIV的毛细管内流场的可视化研究

采用Micro-PIV和FLUENT软件,对水包油乳液在内径为0. 7 mm的圆截面毛细管内的流场结构进行了实验和模拟研究,得到了毛细管内的速度矢量场分布。研究结果显示,实验结果与模拟结果较接近,毛细管内从层流到紊流的转捩发生在Re为2 000左右,与宏观尺度管内流动的临界雷诺数接近,并未发现流动转捩提前的现象。

微凹槽内液滴流场特性的Micro-PIV实验研究

液滴已成为微流控技术的重要研究内容。为了精确调控液滴内的微环境,利用微通道矩形长凹槽生成并封裹液滴,并开展了液滴内部流场特性的显微粒子图像测速(Micro-PIV)实验,研究了雷诺数(Re)对液滴形貌、流场速度矢量场特性和剪应力分布的影响。结果表明,当Re=11.1时,液滴内部出现了一个涡胞结构;当Re=33.3时,液滴中心处的流速达到最大值,约为10μm/s。然而,当Re=44.4时,涡胞消失,平均流速降低。同时,液滴尺寸随Re增加而减小。此外,Re对液滴内部剪应力变化无明显影响,剪应力平均值极低(<1.5×10^-4Pa)。

基于低密度粒子图像叠加的Micro-PIV速度场测量

提出了一种基于低密度粒子图像的微流体粒子图像全场测速技术。经过背景噪声去除、阈值过滤、图像增强等图像预处理过程,获得了高质量的低密度荧光示踪粒子图像。对100对图像进行图像叠加处理,得到了满足互相关算法求解二维速度场的高密度叠加粒子图像。针对宽度为250μm,深60μm的长直微通道开展了覆盖全场不同流体层平面的二维速度测量,并利用多个流体平面的二维速度场实现了微通道内全场速度的构建。研究结果表明:由于图像叠加法去除了像径大但灰度低的背景粒子图像,采用互相关分析能够准确获得分层二维速度场,所构建的全场速度场正确反映了长直微通道内流流场特征。