微尺度下液体流动减阻的实验研究

作     者：曲超 

作者单位：浙江师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋付权

授予年度：2012年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：微尺度 微通道 润湿性 减阻 滑移速度 滑移长度 

摘      要：微机械系统技术具有量产时成本低,体积小,自身重量轻易携带,低能耗,精度高以及与环境相容等诸多的优点,其应用在各个领域不断地发展,如国防,医学,生物工程,航空航天等方面具有巨大的应用潜力。许多微机械器件中含有与液体流动有关的部件,液体在微观尺度下的流动特性和微观尺度下的减阻效应的研究越来越受到重视。本文主要在流体力学基础上,研究微观尺度液体在微通道内流动的特性,减阻和滑移的问题。具体工作如下： 首先,介绍了关于微尺度下流体流动的基本理论及发展现状。详细介绍了现在研究微流动的方法;同时,着重介绍了一些与液体微流动有关的概念与模型,如接触角,减阻模型和滑移理论等。 然后,文章中基于微流动的基本原理进行了一系列实验。利用激光刻蚀和化学刻蚀的方法制备一种可视化微通道。实验中自制了化学刻蚀溶液,制作出槽宽10微米和20微米,槽深约10微米的微通道,观察超纯水在微通道内的流动的情况,为进一步研究减阻实验打下基础。 接着,用超纯水在不同管径的微管内和实验室自制的不同孔隙度的微圆环中进行驱替实验,并对微管和微圆环内超纯水的流动情况进行分析。由实验结果得到：在一定温度下,得到超纯水在不同直径的微管和孔隙度不同的微圆环模型中流动的流量随着压力梯度的增大而线性增大,但存在一定的启动压力。 最后,我们进行了微管中液体流动减阻的实验。利用氟硅烷（FAS）溶液修饰改变微管内壁的润湿性,使其表面由亲水性呈现疏水性,在直径100、75、50微米的微管中进行超纯水的流动减阻实验,计算FAS吸附前后微管道中的压力梯度、剪切率和流量等。实验结果表明：在一定温度,相同压力的条件下,超纯水在氟硅烷吸附后的微管流动的流量明显比吸附前的流量大,并且计算得出超纯水在氟硅烷修饰前后的微管中流动的减阻效率最大可达到13%。在用氟硅烷处理后的微管内壁表面表现为疏水性,使超纯水在微管内流动时与壁面产生滑移。滑移速度与剪切率的关系为一条通过原点的直线,并且斜率为定值,而滑移长度并不随剪切率的变化而变化,只在一定范围内波动,基本保持不变,其数值在0.9微米左右。符合了Navier线性滑移公式中描述的滑移速度、剪切率和滑移长度之间存在的关系。