微流控技術因其易于操控、高效節(jié)能和安全性高的特點,在化學、生物工程等眾多領域獲得廣泛的應用。使用氣液兩相流體,通過微流控裝置可以獲得尺寸均勻的微氣泡。氣液兩相在通道內的流動伴隨著復雜的受力過程,研究通道內彈狀流的生成過程有助于加深對氣泡生成機制的理解。目前,對于彈狀流的生成過程,尤其是針對氣液相界面的變化研究不夠完善。本文利用數(shù)值模擬和實驗研究相結合的方法考察彈狀流生成機制,關注相界面的變化及物理場信息,進一步得出氣彈生成特性及其主要影響因素。基于以上內容,本文研究工作如下:(1)建立T型微通道氣液兩相流數(shù)值模型,研究彈狀流生成過程。通過研究流動過程中相界面的變化,將氣彈生成過程分為“兩個階段,一個時刻”。第一個階段為回縮過程,這一過程中氣相端部在表面張力的作用下快速回縮。第二階段為連續(xù)鼓泡過程,在連續(xù)進料的情況下氣彈不斷生長,在液相的剪切作用下,下壁面氣相不斷變薄。當表面張力不能維持氣相形狀時斷裂形成氣彈,此時為“斷裂時刻”。(2)流動過程伴隨著壓力場和速度場的不斷變化。通過中心線和監(jiān)測點兩種方法研究壓力場的變化,結果表明氣相斷裂導致斷裂位置附近壓力場急劇變化。粘性對中心線整體壓力變化幅度影響最大。表面張力是氣彈維持球形的原因,氣彈下游相界面曲率半徑小于上游相界面。根據速度場可以看出相界面是速度最大、受力情況最復雜的位置,氣彈內部兩個端部形成渦旋,推動氣彈向下游運動。(3)通過搭建顯微-高速攝像系統(tǒng)拍攝微流控芯片中氣彈的高速生成,通過數(shù)字圖像處理技術,得到氣彈的生成特性(特征長度、生成周期等)。結果表明改變氣液兩相流率,氣彈生成特性的變化范圍最大。表面張力對氣彈生成特性的影響最小。增加粘度能夠得到尺寸更小的氣泡且生成周期較短,氣彈特征長度為400μm左右,氣彈生成周期4.5 ms左右。(4)通過無量綱分析,發(fā)現(xiàn)氣彈特征長度與無量綱數(shù)氣液流量比_*Q,雷諾數(shù)Re,韋伯數(shù)We之間存在函數(shù)關系。經過線性回歸分析得到的經驗公式表明:通道尺寸不變的情況下,增加氣相流率和減小液相流率均能使氣彈特征長度增加,流動過程中氣彈特征長度受慣性力和粘性力的影響,而表面張力的影響可以忽略。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN492
【文章目錄】：
摘要
Abstract
引言
1 文獻綜述
    1.1 微流控技術簡介
    1.2 微氣泡的制備及應用
        1.2.1 微氣泡制備方法
        1.2.2 微氣泡實際應用
    1.3 國內外研究現(xiàn)狀
        1.3.1 微通道內流動特性的研究
        1.3.2 彈狀流生成過程的數(shù)值模擬
        1.3.3 微氣泡特性的研究
    1.4 本文研究內容
2 T型通道數(shù)值模型的建立
    2.1 問題分析
    2.2 控制方程
        2.2.1 連續(xù)性方程
        2.2.2 動量方程
        2.2.3 體積分數(shù)方程
    2.3 網格劃分與求解方案
        2.3.1 T型微通道網格劃分
        2.3.2 初始條件和邊界條件
        2.3.3 數(shù)值求解方法
    2.4 本章小結
3 彈狀流生成過程的數(shù)值模擬
    3.1 網格無關性檢驗
        3.1.1 特征長度的檢驗
        3.1.2 相界面清晰度
    3.2 彈狀流生成過程的描述
        3.2.1 氣液相界面的變化
        3.2.2 液相面積的研究方法
        3.2.3 液相面積的演變分析
    3.3 流動過程壓力場特性
        3.3.1 中心線壓力分析
        3.3.2 監(jiān)測點壓力分析
    3.4 速度場及界面張力的分析
        3.4.1 速度場分析
        3.4.2 界面張力分析
    3.5 本章小結
4 彈狀流生成特性的實驗研究
    4.1 彈狀流生成的實驗方法
        4.1.1 實驗材料
        4.1.2 實驗系統(tǒng)簡介
        4.1.3 實驗操作流程
    4.2 兩相流率對彈狀流生成特性的影響
        4.2.1 氣相流率的影響
        4.2.2 液相流率的影響
    4.3 液相物性參數(shù)對彈狀流生成特性的影響
        4.3.1 表面張力的影響
        4.3.2 粘度的影響
    4.4 生成特性的無量綱分析
    4.5 本章小結
結論
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況
致謝

【參考文獻】

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本文編號：2871124