微流体中空泡的产生及其动力学特性研究

论文摘要

空泡作为一种潜在的动力源,在微机械系统中发挥着重要的作用。不同的装置以及工作环境,对空泡有不同的要求。而空泡的变化则是通过CCD以及他的动力学特性参数反映出来。因此,空泡在微流体中动力学特性的研究,对微机械系统选择合适的工况条件具有指导作用。本文针对实现空泡在微流体中定点溃灭的出发点,设计和制作了一种波浪型槽的微流体芯片。采用分子动力学模拟计算的方法,对处于自由界面和微流体通道中的两种不同条件下的空泡溃灭的过程进行了分析。通过对其势能、压力等动力学特性参数的研究,获得了空泡在这两种状态下变化过程的特征。研究发现,自由界面内的空泡在溃灭过程中会先膨胀,再收缩、溃灭；而微流体通道内的空泡则是直接收缩、溃灭。在不同温度、数密度等环境条件的影响下,空泡也表现出来不同的动力学特性。高温或较大的数密度都会加快空泡的溃灭速度。采用数值模拟计算的方法,模拟空泡在两种角度下的产生过程以及流体流速和针孔孔径对空泡脱离半径以及脱离时间的影响。模拟结果显示,空泡的脱离半径及脱离时间都随流速的增大而减小,随针孔孔径的变大而增大。且当针头与流速垂直时,能获得半径较小的空泡。采用数值模拟计算的方法,对芯片微通道内空泡外形的变化进行研究。模拟结果显示,空泡确实能够按照设计的在通道内实现定点溃灭。并且,在此基础上讨论了通道几何尺寸、流体流速以及空泡自身尺寸对其溃灭点的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空泡的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 分子动力学
• 1.3.1 分子动力学计算流程
• 1.3.2 分子动力学研究现状
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 微流体芯片的设计与制备
• 2.1 引言
• 2.2 微流体芯片的设计和制作工艺
• 2.3 微流体芯片的封装
• 2.3.1 热压键合技术
• 2.3.2 丙酮键合技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 自由界面下空泡的动力学特性
• 3.1 引言
• 3.2 模拟参数的选择与确定
• 3.3 模拟结果与分析
• 3.3.1 空泡局部数密度的变化
• 3.3.2 空泡分子的扩散系数和均方位移
• 3.3.3 空泡能量和压力的变化
• 3.3.4 液体数密度对空泡变化的影响
• 3.3.5 温度扰动对空泡变化的影响
• 3.3.6 势能引入开关函数后空泡的变化情况
• 3.4 本章小结
• 第4章 空泡在微流体通道内的动态特性
• 4.1 引言
• 4.2 二维平面内的模拟
• 4.2.1 模拟参数的设定
• 4.2.2 温度对微通道内空泡动力学的影响
• 4.2.3 空泡中气体成分变化对其动力学特性的影响
• 4.3 三维尺度下微通道中空泡的动力学特性
• 4.3.1 空泡动态特性的变化
• 4.3.2 异相分子间相互作用系数的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 空泡在微通道内的产生
• 5.1 引言
• 5.2 空泡的产生
• 5.2.1 针头与流速平行
• 5.2.2 针头与流速垂直
• 5.3 本章小结
• 第6章 空泡在微通道内的形状变化
• 6.1 引言
• 6.2 空泡在微通道内的一般形状变化
• 6.4 流体流速对空泡形状变化的影响
• 6.5 微通道几何尺寸对空泡变化的影响
• 6.6 空泡自身尺寸对其变化的影响
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢