论文部分内容阅读
随着微纳米技术的发展,空泡技术在生物医学、化学工程和国防军事等领域发挥着巨大的作用。空泡技术的关键是如何实现对空泡动力学特性的有效控制,本文针对微通道构型对空泡动力学特性的影响以及壁面润湿性的调控技术进行了系统研究,对微流控系统的设计具有重要意义。利用高速摄像技术对通气空泡在T型微通道处的产生过程进行了研究,重点分析了流速、气液流速比以及通道尺寸对空泡动力学特性的影响。结果表明,空泡的产生方式包括四种,其对应的生成机制分别为挤压、剪切、挤压和剪切共同作用以及壁面阻力。空泡大小随着流速、气液流速比以及通道宽度的增大而增大。借助高速摄像技术并结合计算流体动力学方法研究了通气空泡在T型、Y型和文丘里管型微通道中发生形变或分裂的动力学特性。研究发现,T型和Y型通道中空泡的分裂机理主要包含通道结构和流场两种,文丘里管型通道中空泡的分裂机理为流场作用。空泡发生形变或分裂的强度随着流速的增大而增强,随着空泡体积和通道尺寸的增大而减弱。采用激光加工和自组装技术制备了具有不同润湿性的微通道壁面,借助高速摄像系统着重分析了流速和壁面疏水性对空泡动态接触角的影响。试验结果表明,随着流速的增大,空泡在壁面处的动态接触角和两侧壁面处的动态接触角比值均减小。空泡在通道两侧壁面处的动态接触角比值与通道左侧壁面润湿性之间存在着对应关系,此对应关系可用于微通道壁面润湿性的表征。利用薄片组装结合自组装分子膜沉积的方法设计并制作了一种表面润湿性可调控的疏水／超疏水表面,借助接触角测量仪对表面具有不同肋板高度时对应的静态接触角进行测量。测量结果表明,通过精确控制表面微肋板高度,可快速实现表面润湿性在弱疏水和强疏水甚至超疏水之间的可逆调控,且调控效果具有连续性。将设计的润湿性可调控表面进行改进并集成到微通道中作为通道一侧壁面,研究了流速和壁面疏水性对空泡动态接触角的影响。研究发现,通过控制微肋板结构可改变气液固三相的接触状态,从而实现壁面实际润湿性在强疏水和亲水之间的可逆调控。另外,壁面润湿性的调控效果和壁面处的空泡动态接触角均受薄片厚度和流速二者的影响。