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表面張力梯度作用下氣液界面微顆粒運(yùn)動狀態(tài)研究

來源:喻澤雄 瀏覽 789 次 發(fā)布時間:2023-01-12

【摘要】:氣液界面是微顆粒富集的重要場所,對氣液界面上的微顆粒進(jìn)行操控在微裝配、微混合、微清掃等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。微尺度下,常規(guī)的接觸式操控粘連現(xiàn)象凸顯且易造成污染;通過施加非均勻外場產(chǎn)生的梯度力進(jìn)行非接觸式操控可有效避免粘連現(xiàn)象,但這些作用力如光場梯度力、磁場梯度力、電場梯度力等分別正比于~L~3、~L~3、~L~0(L為顆粒特征尺度),一旦尺度較小,其操控效率較低。而漂浮于氣液界面微顆粒都會受到表面張力(~L~(-1))的作用,這種作用隨著尺度減小變得更加顯著。


因此通過表面張力能顯著提高微操控的效率。為此,本文基于表面張力梯度產(chǎn)生的兩種方式,表面張力系數(shù)梯度和界面曲率梯度,分別提出了由高斯光誘導(dǎo)的溫度梯度導(dǎo)致的表面張力系數(shù)梯度,以及由毛細(xì)波誘導(dǎo)的界面的曲率梯度從而產(chǎn)生的表面張力梯度對界面上的微顆粒進(jìn)行驅(qū)動研究。本文通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模型相結(jié)合研究了具有“瘦高型”能量集中式高斯分布的UV光入射到含有光熱效應(yīng)Fe_3O_4顆粒液滴時,由于光強(qiáng)的不均勻分布,液滴表面會形成約2K/mm的溫度梯度,從而產(chǎn)生Marangoni對流驅(qū)動納米顆粒在液滴內(nèi)部形成渦流運(yùn)動,其最大速度可達(dá)~10mm/s的數(shù)量級。


并且詳細(xì)給出了液滴表面的溫度分布以及液滴內(nèi)部的流動狀態(tài)。并且通過數(shù)值模型研究了不同液滴高度以及不同輪廓高斯光對驅(qū)動效果的影響,結(jié)果表明:


(1)液滴高度越小,其表面可產(chǎn)生更大的溫度梯度,驅(qū)動效果更好;


(2)在能量密度相同條件下,相較于“矮胖型”高斯光,“瘦高型”高斯光能量更為集中,其驅(qū)動效果更好。其次基于上述高斯光誘導(dǎo)的液滴內(nèi)部的渦流運(yùn)動,提出了一種非接觸式微液滴內(nèi)部混合機(jī)制,當(dāng)高斯光交替從液滴左右對稱位置垂直入射,液滴內(nèi)部會交替形成大小不同的漩渦,達(dá)到混合增強(qiáng)的目的,本文通過數(shù)值模型驗(yàn)證了該機(jī)制的混合效果,并且分析了液滴高度和高斯光入射位置對混合效果的影響,最后探討了溫升和樣品的透光性對該混合機(jī)制的影響。


最后本文通過由氣泡生長潰滅所產(chǎn)生的毛細(xì)波對界面上的微顆粒進(jìn)行驅(qū)動研究,在實(shí)驗(yàn)中觀測到當(dāng)毛細(xì)波掠過微顆粒時,顆粒依次經(jīng)歷了前推與回拉,并產(chǎn)生了顯著的凈位移,其最大速度可達(dá)~100mm/s的數(shù)量級。基于此,首先在COMSOL中建立了二維軸對稱模型對毛細(xì)波傳播進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明,毛細(xì)波傳播速度在~m/s數(shù)量級,并且由于粘性耗散,毛細(xì)波傳播過程中其振幅波速在不斷衰減。隨后在COMSOL中建立了三維模型對毛細(xì)波驅(qū)動界面上微顆粒進(jìn)行研究,采用兩相流相場方法模擬相界面并且使用動網(wǎng)格接口來模擬顆粒運(yùn)動。


由于相場方法中將表面張力作為體積力加入到N-S方程中,因此相場方法中的界面上會產(chǎn)生壓強(qiáng)突躍,并且壓強(qiáng)突躍峰值隨著界面厚度的增加而減小,因此,進(jìn)行了在不同界面厚度下毛細(xì)波對顆粒的驅(qū)動研究,結(jié)果表明,僅當(dāng)界面厚度較薄時,顆粒才可產(chǎn)生先前推后回拉運(yùn)動,當(dāng)界面厚度較厚時,顆粒僅能產(chǎn)生前推運(yùn)動而無法回拉。最后進(jìn)行了毛細(xì)波對不同尺寸顆粒、不同波源距離顆粒以及不同初始振幅毛細(xì)波對顆粒驅(qū)動研究,分析了由于顆粒尺寸和質(zhì)量、毛細(xì)波傳播中能量的衰減以及波長與波速之間的關(guān)系對顆粒驅(qū)動的影響。