微通道中液滴流變學的數(shù)值模擬.pdf

1、微流體是一門利用十到百微米尺度下的通道來傳感、輸送、檢測、和控制微量流體（10-9?10-18升）的新興學科。近年來由于其微尺度、層流可控等許多優(yōu)點，受到了眾多研究者的重視?；谝旱蔚奈⒘黧w裝置被層出不窮地設計出來，并廣泛應用于生物、材料、醫(yī)藥等科技領域。
　　邊界元素法在描述復雜幾何結(jié)構(gòu)和不同的邊界條件方面具有很高的靈活性，而波譜法具有指數(shù)收斂和數(shù)值穩(wěn)定性。本文所采用的二維波譜邊界元素法保留了波譜法與邊界元素法的所有優(yōu)點。我們還

2、通過界面重構(gòu)算法來提高數(shù)值計算的穩(wěn)定性，通過四階龍格庫塔算法來計算界面的運動情況，以及采用離散點分斷拼接技術(shù)來模擬液滴的分斷過程。
　　本文中所有的數(shù)值算法都通過Fortran語言轉(zhuǎn)化為Fortran程序，并在CompaqVisualFortran6中調(diào)試運行，進而得到液滴在十字形微通道、四輪磨微流體裝置（MFRM）以及T型微通道中流變學的數(shù)值計算結(jié)果。
　　液滴在十字形微通道和T型微通道中的變形和分斷過程非常相似，都存在流

3、場停滯點，且停滯點的位置與通道幾何結(jié)構(gòu)以及出口管道中的流量或者壓降相關，只是T型微通道中通道對液滴變形的限制作用增強。通過控制流場停滯點以及液滴初始位置，我們能夠可控和可重復地操縱液滴對稱或非對稱的變形和分斷，并研究液滴各項物理參數(shù)和通道幾何結(jié)構(gòu)對液滴界面動力學的影響。
　　相對于十字形和T型微通道這類只能產(chǎn)生單一流場類型的簡單通道，通過控制進出口的流量，可以在MFRM中心空腔內(nèi)產(chǎn)生從完全延展流到剪切流到完全旋轉(zhuǎn)流的所有流場類型。

4、因此，可以對液滴在不同流場中界面的連續(xù)變形進行數(shù)值研究。另外，連接MFRM通道（進口和出口）和內(nèi)腔的孔口大小，以及流入和流出微通道的連續(xù)相(CP)的體積流率，是決定停滯在通道中心的液滴變形和旋轉(zhuǎn)的關鍵因素，尤其是液滴的旋轉(zhuǎn)。本文通過數(shù)值計算和近似的量綱分析，研究了液滴旋轉(zhuǎn)的平均角速度與CP的體積流率和中心空腔半徑的關系，還通過對中心空腔內(nèi)流場的分析，得到了直接影響孔口大小的中心空腔的合適的半徑。我們的研究結(jié)果對如何設計合適的通道深度大于