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W/O液滴绕微柱阵列运动的数值模拟研究

作　者: 许琳
导　师: 张鸿雁
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 微流控微管道微液滴多相流微柱阵列
分类号: O359
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

自20世纪90年代以来，微型化研究成为了自然科学与工程技术发展的一个重要趋势。人们不仅关注以前熟悉的常规尺度对象，也逐渐的将注意力转向不熟悉的微观世界，尤其是随着纳米材料的发展和微电子机械系统(MEMS)的进步，人们对微尺度问题研究的兴趣也逐渐增强。本文以多相层流理论为基础，采用相场方法建立了微尺度下水-油两相层流的数值模拟模型，实现了水-油两相流动的动态模拟，对微米级水滴在硅油中（W/O）的运动及其操控进行了研究，具体内容如下：首先，以层流两相流理论为基础，在N-S方程中引入微尺度下重要的表面张力，并通过相场函数Φ追踪两种运动流体的相界面变化；其次，针对微管道内嵌有微柱阵列障碍物时的液滴运动问题，考察了液滴与微柱阵列作用时的变形及运动，系统地给出了液滴尺度对液滴运动速度、液滴与微柱相对位置的影响；最后，在此基础上针对主要的液滴操控手段，模拟了液滴的融合、液滴的可控分割以及液滴内部的混合等问题。研究结果表明，微管道内嵌微柱阵列对液滴的运动有着重要影响。在液滴形态方面，绕流微柱阵列的液滴将产生变形并被拉伸，从初始的圆形演变为狭长形，液滴的轨迹则与微柱阵列的走向趋于一致；在液滴运动方面，在所研究的液滴尺寸范围内，离散液滴的速度小于连续相硅油在对应方向上的速度，液滴的运动速度与液滴尺度无关，但距离较近两个液滴会在微柱阵列的影响下在变形阶段相互融合；在液滴操控方面，当液滴离开微柱阵列时，液滴与微柱的相对位置与液滴尺度密切相关，其液滴中心的位置先随着液滴大小的增加而线性增加，而后趋于稳定；利用这一线性关系并通过在微柱下游设置的楔形障碍物，可以实现对大小不同液滴的切割，从而获得单一尺寸的液滴。上述研究所获得的微尺度液滴变形、运动及操控过程均与之前的实验相印证，证明了数值模拟的可靠性。在此基础上，本文进一步预测了在微柱阵列影响下的液滴内部流场，并结合稀物质传递模型获得了液滴内部不同浓度物质间的混合过程，揭示了微柱阵列可以在层流流动的情况下高效实现液滴内部两种物质间的均匀混合，再次证明了微柱阵列对液滴的影响是不容忽略的。总之，基于相场的数值模拟方法克服了实验参数设置范围较窄所带来的影响，更好地揭示了W/O液滴绕流微柱阵列运动的机理，为微液滴操控技术提供了更合理的研究手段。研究也表明了内嵌式微柱阵列可以很好地控制微液滴的运动，实现微液滴的多种操控形式，较好地完成液滴的融合、分割及混合功能。通过分析及与实验结果的比较验证了方法的可靠性，并进一步发展了基于液滴绕流微柱阵列的微尺度混合增强方法。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-18
  1.1 研究背景  11
  1.2 微流控  11-13
    1.2.1 微流控理论及应用  11-12
    1.2.2 微流控研究的意义及目前的研究现状  12-13
  1.3 液滴微流控  13-17
    1.3.1 液滴微流控理论  13-14
    1.3.2 微液滴研究的意义及方法  14-15
    1.3.3 目前国内外的研究现状  15-17
  1.4 本文的研究工作  17-18
2 计算的模型与方法  18-29
  2.1 数学模型的建立  18-25
    2.1.1 控制方程  18-19
    2.1.2 边界条件  19-21
    2.1.3 层流与紊流  21-22
    2.1.4 低雷诺数的 Stokes 流动  22-25
  2.2 COMSOL 中多相流的数值模拟  25-27
    2.2.1 多相流体模型的基本原理  25
    2.2.2 有限元方法  25-26
    2.2.3 模拟界面运动的相场方法  26-27
  2.3 本章小结  27-29
3 水滴在硅油中绕微柱阵列运动的数值模拟  29-46
  3.1 液滴的运动模拟  29-36
    3.1.1 研究内容  29
    3.1.2 几何模型  29-30
    3.1.3 边界条件的设置  30
    3.1.4 网格划分  30-31
    3.1.5 结果与分析  31-36
  3.2 两个液滴运动的速度对比  36-38
    3.2.1 研究内容  36
    3.2.2 几何模型  36
    3.2.3 边界条件的设置  36
    3.2.4 模拟结果与速度分析  36-38
  3.3 不同半径液滴的位置  38-40
    3.3.1 研究内容  38-39
    3.3.2 几何模型  39
    3.3.3 边界条件的设置  39
    3.3.4 模拟结果与分析  39-40
  3.4 液滴的分割  40-43
    3.4.1 研究内容  40-41
    3.4.2 几何模型  41
    3.4.3 边界条件的设置  41
    3.4.4 模拟结果及分析  41-43
  3.5 液滴的融合  43-44
    3.5.1 研究内容  43
    3.5.2 几何模型  43-44
    3.5.3 边界条件的设置  44
    3.5.4 模拟结果及分析  44
  3.6 本章小结  44-46
4 液滴内部混合的数值模拟  46-54
  4.1 稀物质传递与不同浓度的混合  46
  4.2 液滴内不同浓度绕微柱阵列运动的数值模拟  46-51
    4.2.1 研究内容  46-47
    4.2.2 几何设置  47
    4.2.3 边界条件设置  47
    4.2.4 参数设置  47-48
    4.2.5 网格划分  48
    4.2.6 模拟结果及分析  48-51
  4.3 微管道液滴内物质混合的数值模拟  51-53
    4.3.1 研究内容  51
    4.3.2 几何设置  51
    4.3.3 流动边界条件  51
    4.3.4 参数设置  51-52
    4.3.5 网格划分  52
    4.3.6 模拟结果及分析  52-53
  4.4 本章小结  53-54
5 结论与展望  54-56
致谢  56-57
参考文献  57-62
在读期间取得的研究成果  62

W/O液滴绕微柱阵列运动的数值模拟研究

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