| 微尺度结构中液滴控制研究 | |
宋奎
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| 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 Number | 31141 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://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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