微通道内气泡形貌变化对流体流动影响的研究

作     者：张子群 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李大勇

授予年度：2024年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：表面气泡 体气泡 气泡‘表-体’转化 滑移长度 微通道 

摘      要：随着科学技术的发展,微流体系统和微机电系统在医疗、化学、生命科学等领域广泛应用并对科学、工程及社会产生了深远的影响。在微纳尺度下,流体通道因其表面积/体积比较大,使得流体流动时受到较大的阻力。研究表明,固-液界面上的气泡或者气层有助于增大流体边界滑移长度,降低流体流动阻力,探究微/纳米气泡对微流体流动的减阻作用已成为一个热门的研究方向。然而,现有研究鲜有对表面气泡脱离微通道壁面转化为体气泡过程及其对流体流动影响的研究。本文针对这一问题展开研究,对于提高微流体系统的性能,丰富流体边界滑移理论,具有重要的理论和现实意义。主要研究内容如下: 仿真研究了影响微通道下壁面表面气泡转化为体气泡的因素。证实了壁面润湿性、流体雷诺数和表面气泡的初始接触角对气泡的‘表-体’转化过程的影响具有耦合效应。对于较高的流体雷诺数、较小的表面气泡初始接触角和微流体通道的亲水性壁面,表面气泡更容易从下壁面脱离。流体雷诺数足够高时会使表面气泡发生分裂,表面气泡转化成体气泡的时间会增加或发生波动。 仿真研究了表面气泡(初始接触角为12°、30°、60°、90°)脱离壁面的过程对滑移长度的影响。对于壁面接触角为60°的微通道,初始接触角12°时,气泡脱离壁面的过程中导致流体在固液界面处的滑移长度降低,但始终对流体流动起促进作用(计算得到滑移长度均为正值);初始接触角为30°时,表面气泡对流体流动的促进能力随气泡形貌变化减弱并在脱离壁面的过程中转为阻碍流体流动(计算得到滑移长度先为正值后为负值);60°和90°初始接触角的表面气泡始终阻碍流体流动(计算得到滑移长度均为负值)。对于超亲水壁面(壁面接触角3°)的微通道,四种不同初始接触角的表面气泡转化为体气泡后均对流体起到了阻碍作用,随着体气泡内气体分子向外扩散导致气泡体积减小,其对流体的阻碍作用逐渐降低。研究了微通道内表面气泡间以及表面气泡和体气泡的融合现象。分析了气泡融合过程对边界滑移长度的影响,发现表面气泡之间的融合过程使滑移长度增加,表面气泡和体气泡的融合过程使滑移长度降低。 仿真及实验研究了体气泡对流体流动的影响。随着体气泡体积的减小,滑移长度在逐渐增加,当体气泡横截面积与通道横截面积之比(空间指数)Φ0.16%时,体气泡从阻碍流体流动转为促进流体流动。实验研究了微通道内体气泡对流体流动的影响,发现体气泡的体积越大,微通道出口处的流量越小,随着气泡体积的降低,微通道出口流量增大,即对流体流动的阻碍作用减小,这与我们的仿真结果一致。