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表面张力梯度作用下气液界面微颗粒运动状态研究

来源:喻泽雄 浏览 59 次 发布时间:2023-01-12

【摘要】:气液界面是微颗粒富集的重要场所,对气液界面上的微颗粒进行操控在微装配、微混合、微清扫等领域具有广阔的应用前景。微尺度下,常规的接触式操控粘连现象凸显且易造成污染;通过施加非均匀外场产生的梯度力进行非接触式操控可有效避免粘连现象,但这些作用力如光场梯度力、磁场梯度力、电场梯度力等分别正比于~L~3、~L~3、~L~0(L为颗粒特征尺度),一旦尺度较小,其操控效率较低。而漂浮于气液界面微颗粒都会受到表面张力(~L~(-1))的作用,这种作用随着尺度减小变得更加显著。


因此通过表面张力能显著提高微操控的效率。为此,本文基于表面张力梯度产生的两种方式,表面张力系数梯度和界面曲率梯度,分别提出了由高斯光诱导的温度梯度导致的表面张力系数梯度,以及由毛细波诱导的界面的曲率梯度从而产生的表面张力梯度对界面上的微颗粒进行驱动研究。本文通过实验与数值模型相结合研究了具有“瘦高型”能量集中式高斯分布的UV光入射到含有光热效应Fe_3O_4颗粒液滴时,由于光强的不均匀分布,液滴表面会形成约2K/mm的温度梯度,从而产生Marangoni对流驱动纳米颗粒在液滴内部形成涡流运动,其最大速度可达~10mm/s的数量级。


并且详细给出了液滴表面的温度分布以及液滴内部的流动状态。并且通过数值模型研究了不同液滴高度以及不同轮廓高斯光对驱动效果的影响,结果表明:


(1)液滴高度越小,其表面可产生更大的温度梯度,驱动效果更好;


(2)在能量密度相同条件下,相较于“矮胖型”高斯光,“瘦高型”高斯光能量更为集中,其驱动效果更好。其次基于上述高斯光诱导的液滴内部的涡流运动,提出了一种非接触式微液滴内部混合机制,当高斯光交替从液滴左右对称位置垂直入射,液滴内部会交替形成大小不同的漩涡,达到混合增强的目的,本文通过数值模型验证了该机制的混合效果,并且分析了液滴高度和高斯光入射位置对混合效果的影响,最后探讨了温升和样品的透光性对该混合机制的影响。


最后本文通过由气泡生长溃灭所产生的毛细波对界面上的微颗粒进行驱动研究,在实验中观测到当毛细波掠过微颗粒时,颗粒依次经历了前推与回拉,并产生了显著的净位移,其最大速度可达~100mm/s的数量级。基于此,首先在COMSOL中建立了二维轴对称模型对毛细波传播进行了数值研究,结果表明,毛细波传播速度在~m/s数量级,并且由于粘性耗散,毛细波传播过程中其振幅波速在不断衰减。随后在COMSOL中建立了三维模型对毛细波驱动界面上微颗粒进行研究,采用两相流相场方法模拟相界面并且使用动网格接口来模拟颗粒运动。


由于相场方法中将表面张力作为体积力加入到N-S方程中,因此相场方法中的界面上会产生压强突跃,并且压强突跃峰值随着界面厚度的增加而减小,因此,进行了在不同界面厚度下毛细波对颗粒的驱动研究,结果表明,仅当界面厚度较薄时,颗粒才可产生先前推后回拉运动,当界面厚度较厚时,颗粒仅能产生前推运动而无法回拉。最后进行了毛细波对不同尺寸颗粒、不同波源距离颗粒以及不同初始振幅毛细波对颗粒驱动研究,分析了由于颗粒尺寸和质量、毛细波传播中能量的衰减以及波长与波速之间的关系对颗粒驱动的影响。