微通道中组装各向异性粒子的数值模拟

作     者：陶君 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王靖涛

授予年度：2013年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：波谱边界元素法 聚并 十字形-四轮磨微通道 补丁粒子 组装 

摘      要：各向异性粒子是新型功能材料的构筑基元，粒子的非中心对称特性可以构造出一系列内部结构精确可控的纳米或微米胶体材料，在化工、医药、生物、食品、电子等许多领域都有非常重要的应用。尽管现有的各向异性粒子制备技术无法满足工业实际应用，但是由于其具有新颖的形态学特征和巨大的应用潜力，各向异性粒子的合成与制备技术受到了研究者的广泛关注。 液滴技术是以微流控芯片为基础用于操纵微小体积液滴的技术，能够精确控制液滴体积并且对液滴执行聚并、液滴内混合和液滴分选等操作。液滴作为微反应器具有样品消耗少、内环境稳定、内部混合迅速等优点，广泛的应用于快速分析、先进材料合成、蛋白质结晶和生物细胞分析等领域。 边界元法具有高精度和降低计算维数的优点，在处理无限域或复杂几何形状问题上具有很高的灵活性。结合谱方法的“无穷阶收敛性，本文采用二维波谱边界元素法对液滴在低雷诺数下的流变学特性进行模拟。在计算过程中，采用四阶龙格库塔算法来降低计算误差并提出界面重构技术用于模拟液滴聚并过程。 液滴的聚并过程涉及到较短的时间和长度尺度，通过实验手段研究较为困难，目前液滴聚并的机理仍在探索之中。本文采用波谱边界元素法对大小相同的液滴正向碰撞过程中液滴间界面变化情况进行了模拟，研究了液滴间中心距离以及液滴内流场随时间变化情况，并提出界面重构算法对十字形微通道内相同大小液滴的聚并过程进行了模拟。 本文提出了一种新型微流体装置用于组装具有补丁精确定位的各向异性粒子。这种装置由微流体四轮磨(MFRM)和十字形通道耦合而成，通过调整进出口流量可以在装置的中心腔体内产生从完全延展流到剪切流再到完全旋转流的所有流动情况。结合边界积分方法本文绘制了不同流动情况下装置内流动速度矢量图和流线分布图。根据模拟结果本文提出了在这种新型装置内制备各向异性粒子的方案，并且对制备含有三个补丁的各向异性粒子的操作过程进行了说明，研究了旋转时间、黏度和小液滴半径对补丁相对位置的影响，并指出了操作过程中应采用的最佳流量范围。本文的研究结果为制备补丁精确定位的各向异性粒子提供了一个新的思路，对利用微流控技术制备粒子具有重要的指导意义。