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微管中液体流动减阻特征研究

作　者: 左加传
导　师: 宋付权
学　校: 浙江师范大学
专　业: 理论物理
关键词: 微管减阻剪切率滑移速度滑移长度润湿性
分类号: O357
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着微机械系统(MEMS)的兴起与发展,微尺度下液体流动的特性研究越来越受到研究人员的重视,其中存在不少减阻及散热问题,其对微机械系统技术的发展有着至关重要的影响。本文主要研究微通道中液体流动的减阻、滑移特性。首先以表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为吸附介质来改变微管内壁的润湿性,在50、75、100微米直径的微管中进行吸附前后的去离子水流动实验。采用体积测量法测量微管中去离子水的流量,比较去离子水在同一压差下、CTAB吸附前后的流量,研究表面活性剂的减阻特性。并根据实验结果,从理论上计算出液体在微管中流动时管壁处的滑移速度和滑移长度,分析产生滑移的原因及其影响因素。结果表明:去离子水在CTAB吸附前的微管道中流动的流量-压力梯度特性符合经典的Hagen-Poisseuille方程,表面活性剂吸附后的微管中的去离子水的流量明显大于吸附前的,增加量最大可达6.3%,究其原因是CTAB的吸附使微管内壁的亲水性大大降低,流动阻力减小而导致流量增大。同时分析了吸附时间和减阻效率的关系,结果表明:CTAB的吸附减阻具有峰值。CTAB在微管道内壁的吸附分为两个阶段:单层吸附和双层吸附阶段。单层吸附时微管道内壁的亲水性降低,当单层吸附达到饱和时,减阻效率最大。在CTAB处理后微管道中发生界面滑移现象,滑移速度与剪切率成线性关系,而滑移长度不随剪切率的变化而变化,保持在一个定值,在直径100μm中的滑移长度约为0.57μm,75μm中约为0.41μm,50中的约为0.32μm。通过AFM实验发现,微管内壁表面上由处理前的大约为7nm左右的峰谷变为处理后的100nm左右的峰谷,水在其表面上的接触角由26°增大到了63°,说明微管内表面活性剂的吸附对流动滑移的产生具有重要的影响。设计了静态法测液体在微管中流动的启动压力实验,根据实验结果绘制出微管内径与启动压力的幂函数关系曲线。结果表明:同一直径的微管,CTAB处理后的启动压力明显低于处理前的,说明CTAB的吸附使液体启动压力大大降低了。最后研究了微管中两相流体界面特征,结果表明:水在微管中流动的气液界面随着流速的不同形状发生改变,流速较小时,界面基本保持为凹液面;随着流速的增加,液面由凹液面向平液面发展,当流速增加到一定程度时,液面发展为凸液面的形状,即润湿滞后现象。并且在表面力的作用下,微管的尺寸越小,以及两相流体的性质差别越大,界面的润湿滞后现象越不明显。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪言  10-26
  1.1 流体在微尺度结构中的流动研究现状  10-14
    1.1.1 引言  10
    1.1.2 微流体流动的研究现状  10-13
    1.1.3 小结  13-14
  1.2 超疏水性表面研究进展  14-21
    1.2.1 引言  14-15
    1.2.2 天然的超疏水生物表面  15-18
    1.2.3 超疏水表面的制备方法  18-20
    1.2.4 小结  20-21
  1.3 流动滑移特征研究  21-24
    1.3.1 引言  21
    1.3.2 滑移的基本概念  21-22
    1.3.3 实验研究  22-23
    1.3.4 理论模型  23-24
    1.3.5 小结  24
  1.4 本文研究的内容与意义  24-26
    1.4.1 本文的研究的内容与框架  24-25
    1.4.2 本研究的意义  25-26
第2章微管中表面活性剂减阻效应研究  26-35
  2.1 前言  26
  2.2 实验原理  26-27
  2.3 实验方法  27-28
  2.4 实验装置  28-29
  2.5 实验过程  29-30
  2.6 实验结果与分析  30-34
    2.6.1 流量-压力梯度关系  30-32
    2.6.2 流量增大的原因  32-33
    2.6.3 吸附时间对减阻效率的影响  33-34
  2.7 结论  34-35
第3章微管中界面滑移现象研究  35-41
  3.1 前言  35
  3.2 实验原理  35-36
  3.3 实验结果与分析  36-40
    3.3.1 滑移速度和滑移长度分析  36-38
    3.3.2 AFM形貌测量  38-39
    3.3.3 润湿角的测量  39-40
  3.4 结论  40-41
第4章静态法测微管启动压力梯度  41-45
  4.1 前言  41
  4.2 实验方法  41-42
  4.3 实验过程  42-43
  4.4 实验结果与分析  43-44
  4.5 小结  44-45
第5章微管中两相流体界面特征研究  45-56
  5.1 前言  45-46
  5.2 实验装置  46
  5.3 实验过程  46-47
  5.4 实验结果与分析  47-51
    5.4.1 流体静止时的界面形状  47
    5.4.2 流体流动时的界面形状  47-50
    5.4.3 水驱油时动界面的变化  50-51
  5.5 流体的润湿性及管道中流体界面的润湿滞后现象  51-54
    5.5.1 润湿现象  51
    5.5.2 圆管中非混溶两相流体的界面  51-52
    5.5.3 圆管中的润湿滞后现象  52
    5.5.4 微管中润湿性对界面的影响  52-53
    5.5.5 液体内部流速分布与界面形状的发展  53-54
  5.6 结论  54-56
第6章总结与展望  56-58
  6.1 总结  56-57
  6.2 展望  57-58
参考文献  58-64
致谢  64-65
攻读学位期间取得的研究成果  65-67

微管中液体流动减阻特征研究

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