T型微通道内微液滴形成机制的CFD模拟

论文摘要

微流控芯片技术是一种新兴的检测方法。由于它巨大的发展潜力,应用越来越广泛,逐渐成为一个多学科交叉的崭新研究领域。近年来,利用微流控芯片制备离散化的微液滴因其具有单分散性好、大小均一且精确可控的优点受到了越来越多的关注。本论文通过使用CFD技术,对两种尺寸的T型微通道微流控芯片中液滴的形成过程进行了三维数值模拟。在制备微液滴的微流控芯片通道中,T型微通道是利用两相流体在T形接口处产生的交错剪切力作用而形成分散性良好的微液滴流,避免了外部驱动,减小了实验难度,从而被广泛的应用。T型微通道内微液滴的产生可根据连续相毛细准数的变化可划分为“Squeezing”、“Dripping”、“Jetting”三种不同的机制。目前,除了“Squeezing”机制下液滴的形成机理和定量关系已较清晰以外,其他机制以及各机制的过渡态下的液滴形成过程和相关体系参数的影响还没得到系统的完善。其中一个原因是目前的大多数研究局限于实验研究,受限于设备制造难度大、操作繁琐、实验成本较高、研究周期冗长等缺点,T-型微通道中的微液滴的形成机制的研究进展缓慢。本论文采用的CFD数值模拟技术,可以针对微通道内的两相流动的情况,建立反映流动现象本质的数学模型,然后利用计算机实现微液滴形成过程的仿真实验。该方法可以克服传统实验研究的局限,方便、系统地对相关系统参数的影响进行研究。本文设计了两种尺寸不同的T通道构型,针对Dripping机制,建立了主副通道比大于3的宽型T通道的模型;而针对Squeezing机制,设计了主副通道比为1的窄型T通道.对于宽型T通道,模拟系统解释了通道壁的润湿性能对液滴形成的影响,CFD数值模拟实验验证了只有当通道壁疏离分散相时,才能形成微液滴的结论;并归纳出,当连续相的流速和黏度增大时,所成的液滴体积不断减小;当两相表面张力不断增大时,液滴体积不断增大;当Cac增大时,形成的微液滴体积会变小;进一步考察Cac的变化与液滴体积大小之间的关系,得出了在一定的范围内,微液滴的直径与连续相Cac值的倒数之间存在明显的线性关系的重要结论。本论文在窄型T通道内对Squeezing机制进行了数值模拟,并首次使用CFD方法实现了Transient机制的三维模拟;发现当连续相的Cac增大到0.025时,液滴的形成机制发生了转变,Transient机制下所形成的的液滴长度为30μm60μm;并在一定范围内对Transient机制下的液滴体积大小进行了定量的研究,取得了突破性的进展。在对窄型T通道形成微液滴的相关条件及物性参数的研究中发现,通道壁润湿性能对液滴形成过程也存在影响,只有当通道壁疏离分散相时,才能形成微液滴,当通道壁对分散相的接触角在060°之间时,能够形成分散性良好的液滴流,且接触角的改变对液滴体积的影响不大。而后,采用了固定分散相流速,逐渐改变连续相流速的方法考察了两相流率比Qd/Qc与液滴体积的函数关系,当0<Qd/Qc<0.3时,液滴的体积符合关系式L / wc = 7.7169Qd / Qc+ 0.5161;当Qd/Qc>0.3后,符合L / wc = 2.3812Qd / Qc+ 1.9919;当增大连续相的黏度时,所成的液滴体积会不断减小,增大两相表面张力时,液滴体积会不断增大;而在考察连续相毛细准数Cac的变化与液滴体积大小的关系时发现,在一定的范围内,微液滴的直径与连续相Cac值之间存在明显的函数关系: L = 8.2113C a c?0.4876,当Cac增大时,形成的微液滴体积会越小,这为预测微通道内产生微液滴的体积大小提供了可靠的理论参考。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 文献综述
• 1.1 微流控芯片技术简介
• 1.2 微流控设备中制备微液滴的研究现状
• 1.2.1 微流控制备微液滴的方法
• 1.2.2 T 型微通道内的微液滴的形成机制
• 1.3 CFD 技术在微流动研究中的应用
• 1.4 本论文的研究内容
• 2 CFD 技术和 FLUENT 软件介绍
• 2.1 CFD 方法介绍
• 2.1.1 CFD 的基本思想
• 2.1.2 VOF 方法简介
• 2.2 FLUENT 软件简介
• 3 T 型微通道内液滴形成过程的数学描述和 CFD 研究方法
• 3.1 T 型微通道的设计及网格划分
• 3.1.1 T 型微通道的设计
• 3.1.2 划分网格及边界类型设定
• 3.1.3.T 型微通道的液滴形成的数学描述
• 3.2 FLUENT 求解过程
• 3.3 图像结果及分析处理
• 3.3.1 图像输出
• 3.3.2 图像处理
• 3.3.3 液滴大小的表征
• 3.4 本章小结
• 4 宽型 T 微通道内液滴形成机制的 CFD 模拟
• 4.1 数值模拟的准确性
• 4.2 微通道润湿性的影响
• 4.3 连续相流速的影响
• 4.3.1 连续相流速对液滴形成机制的影响
• 4.3.2 连续相流速对液滴形成的影响
• 4.4 连续相黏度的影响
• 4.5 两相间界面张力的影响
• c与液滴体直径的函数关系'>4.6 连续相Ca_c与液滴体直径的函数关系
• 4.7 本章小结
• 5 窄型 T 通道中液滴形成机制的 CFD 模拟
• 5.1 液滴在窄型T 型微通道内的形成机制
• 5.2 微通道润湿性的影响
• 5.3 两相流率的影响
• 5.4 连续相黏度的影响
• 5.5 两相间界面张力的影响
• c的影响'>5.6 连续相毛细准数Ca_c的影响
• 5.7 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• B 作者在攻读学位期间参与的科研项目