IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
微尺度结构中液滴控制研究
宋奎
Thesis Advisor胡国庆
2014
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline流体力学
Abstract基于液滴的微流控器件在化学、生物学、医学等领域具有巨大应用潜力。微通道 中液滴的流动特征有别于宏观情形。目前对微器件中液滴控制的研究和认识还很有 限。本文针对微器件中的多相流动问题开展一系列研究,侧重于微尺度液滴的输运规 律和操控方法,建立描述微流控器件中液滴运动过程的模型,实现对复杂微流动网络 中液滴的有效控制。 本文首先通过Volume of Fluid 方法模拟了液滴在微通道中的输运,并结合理论分 析建立了等价流动—电流模型,解释了液滴或气泡在复杂的阶梯型微流动网络中的同 步化实验现象。揭示了同步化现象与入口流量条件、两相流体的物性参数、器件结构 尺寸等参数之间的关系。研究发现,液滴所造成的压降对液滴同步发挥着关键作用。 特别地,在表面活性剂存在的情况下,通过数值模拟得到了液滴压降的拟合公式。新 的理论分析模型为包括液滴同步化等的操控提供了有效指导。 运动液滴在具有环形(loop)结构的微流控器件中表现出编码、解码、多周期性 等复杂动力学现象。通过拓展含环形结构的微流动网路,研究了双液滴串通过拓展的 环形结构组合成一新液滴串的编码问题。建立了理论模型,揭示新液滴串信息和双液 滴串的输入信息、外加调控流量等参量之间的关系。同时进行了环形结构中液滴运动 的实验观测,并将实验结果和理论结果进行了对比,两者符合很好,验证了理论模型 的正确性。 由于液滴间、液滴壁面间复杂相互作用,单分散性和多分散性液滴会表现出自组 装行为。本文研究了两个不同大小液滴的自组装问题,解释和预测液滴的动力学行为。 采用切球坐标系研究了Stokes 流动穿过两个任意大小相互接触的流体球的问题,并 利用Hankel 变换,得到了流动的轴对称解答。计算了液滴系统的能量耗散,以能量 观点给出了自组装解释,认为系统中液滴的自组装行为是旨在使液滴从不稳定运动状 态到稳定状态,并具有更低的能量耗散。通过对液滴进行动力学和运动学分析,我们 得到液滴的运动轨迹,揭示了液滴自组装的过程。
Call Number31141
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48967
Collection非线性力学国家重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
宋奎. 微尺度结构中液滴控制研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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