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表面張力梯度作用下氣液界面微顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)研究
來(lái)源:喻澤雄 瀏覽 871 次 發(fā)布時(shí)間:2023-01-12
【摘要】:氣液界面是微顆粒富集的重要場(chǎng)所,對(duì)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(guò)施加非均勻外場(chǎng)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(chǎng)梯度力、磁場(chǎng)梯度力、電場(chǎng)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(huì)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(guò)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(duì)界面上的微顆粒進(jìn)行驅(qū)動(dòng)研究。本文通過(guò)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(shí),由于光強(qiáng)的不均勻分布,液滴表面會(huì)形成約2K/mm的溫度梯度,從而產(chǎn)生Marangoni對(duì)流驅(qū)動(dòng)納米顆粒在液滴內(nèi)部形成渦流運(yùn)動(dòng),其最大速度可達(dá)~10mm/s的數(shù)量級(jí)。
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(dòng)狀態(tài)。并且通過(guò)數(shù)值模型研究了不同液滴高度以及不同輪廓高斯光對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng),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(duì)稱位置垂直入射,液滴內(nèi)部會(huì)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(guò)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(duì)混合效果的影響,最后探討了溫升和樣品的透光性對(duì)該混合機(jī)制的影響。
最后本文通過(guò)由氣泡生長(zhǎng)潰滅所產(chǎn)生的毛細(xì)波對(duì)界面上的微顆粒進(jìn)行驅(qū)動(dòng)研究,在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到當(dāng)毛細(xì)波掠過(guò)微顆粒時(shí),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(jí)?;诖?,首先在COMSOL中建立了二維軸對(duì)稱模型對(duì)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(jí),并且由于粘性耗散,毛細(xì)波傳播過(guò)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(duì)毛細(xì)波驅(qū)動(dòng)界面上微顆粒進(jìn)行研究,采用兩相流相場(chǎng)方法模擬相界面并且使用動(dòng)網(wǎng)格接口來(lái)模擬顆粒運(yùn)動(dòng)。
由于相場(chǎng)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(chǎng)方法中的界面上會(huì)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(duì)顆粒的驅(qū)動(dòng)研究,結(jié)果表明,僅當(dāng)界面厚度較薄時(shí),顆粒才可產(chǎn)生先前推后回拉運(yùn)動(dòng),當(dāng)界面厚度較厚時(shí),顆粒僅能產(chǎn)生前推運(yùn)動(dòng)而無(wú)法回拉。最后進(jìn)行了毛細(xì)波對(duì)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(duì)顆粒驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)與波速之間的關(guān)系對(duì)顆粒驅(qū)動(dòng)的影響。