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《重庆大学》 2018年
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微通道内光热效应致相变两相流动特性

何雪丰  
【摘要】:微流控芯片技术在过去的数十年间得到飞速发展。由于其能够将传统实验室中样品制备、可控反应、分析检测等操作功能集成到一块面积仅为数平方厘米的芯片上,具有试剂消耗量小、反应迅速、灵敏度高等优点,被广泛应用于生化分析、生命科学、医学检测等领域。近年来,传统微流控技术与现代光学技术相融合衍生一门新技术—光微流体技术,利用光与流体的相互作用,在微流控平台上实现了一系列新功能。作为典型的光与流体相互作用方式之一,光热效应致流体相变由于其局部操控、响应迅速、操作简易等优势,被广泛应用于光微流体器件中进行流体操控。然而,针对基于光热效应致流体相变操控技术,目前相关研究还停留在元器件设计与新功能开发阶段,对其中局部热源作用下相变与两相流动机理与特性的认识还比较缺乏。本文围绕微通道内光热效应致流体相变两相流动及界面行为开展了系统实验研究,揭示其流动与传输特性,为基于光热相变的新型微流体器件的设计及性能优化提供理论基础。微通道内光热效应致流体相变两相流动是涉及光热效应局部热源作用下耦合了复杂界面现象的两相流动问题。针对此关键热物理问题,本文首先着眼基于聚焦激光加热液柱这一基本物理过程,剥离其各个影响因素,研究了激光功率及加热点位置、微通道几何参数、壁面浸润性对相变特性、两相流动及界面行为的影响规律,揭示了微通道内液柱相变呈现两种基本相变模式:光热相变驱动微泵模式与光热相变化学分离模式;针对相变驱动模式,研究了运动激光光斑对微通道内流体连续驱动特性,获得了激光功率与光斑运动速率对驱动速率的影响规律,揭示了液柱极限驱动速率与加热工况之间的关系,同时考察了液柱在复杂结构微通道中的驱动特性;在此基础上,提出了微通道内基于光热相变的脉冲液流驱动方式,实现对周期性生化信号的体外模拟。在光滑微通道中通过控制激光开关及运动启停实现方波状脉冲流动;在具有连续锯齿状扰流柱结构微通道内通过光热驱动实现了具有高信噪比、高脉冲峰的三角波状脉冲驱动,分别研究了加热工况,扰流柱结构设计对脉冲波形的影响规律;针对相变化学分离模式,分别研究了激光加热单个液塞流型下与具有液塞的气泡辅助流型下相变过程、界面行为与分离特性,研究了微通道内流型、加热工况、工质种类对分离特性的影响;在此基础上,设计了一种基于光热相变的光微流体膜式微分离器,实现了微通道内高效化学分离,并研究了运行工况对分离器性能的影响规律。本文获得的主要结论如下:(1)微通道内液柱在聚焦激光局部热源作用下,呈现出两种基本相变模式:光热相变驱动微泵模式与光热相变化学分离模式。研究发现在激光功率较低,加热点距离液柱界面较远情况下,通过光热效应致蒸发-冷凝-聚合模式,流体向前运动,呈现光热相变驱动微泵模式;在激光功率较高,加热点距离界面较近情况下,通过光热效应致蒸发-冷凝模式,呈现化学分离模式。通过相关参数研究发现随着微通道深宽比增大,低功率下界面迁移速率降低,高功率下冷凝液塞难以形成同时容易产生卷吸气泡对相变稳定性产生不利影响;当微通道壁面浸润性发生改变时,液柱相变行为发生变化,低激光功率加热时,亲水微通道中界面由于持续蒸发后退,憎水微通道中界面通过与液滴聚合前进;高激光功率加热时,亲水微通道中界面后退速率加快,憎水微通道中形成冷凝液塞。(2)通过操控激光光斑跟随气液界面沿微通道流动方向持续向前运动,实现了微通道中持续驱动流体运动。固定激光功率条件下,提高光斑运动速率可加快液柱驱动速率,其驱动速率存在一极限值,提升激光功率能够提升液柱极限驱动速率;控制光斑运动轨迹能够控制局部相变强度,实现流体在复杂微通道网络中的定向运动;在具有不规则壁面结构的微通道中,光热相变能够驱动流体绕过障碍物继续前进。(3)提出了一种微通道内脉冲液流运动操控方法,实现对周期性生化信号的体外模拟。研究发现在光滑微通道内,操控聚焦激光周期性开关及同步运动启停,能够实现微通道内流量方波状脉动,通过调节激光功率与开关启停间隔,可对脉冲峰值流量与频率进行调控;在具有连续锯齿形壁面扰流柱微通道内,通过光热相变驱动及扰流柱辅助,能够实现微通道内高脉冲峰、高信噪比三角波式脉动,调节激光功率与改变扰流柱几何设计参数,能够控制其脉冲峰值流量与频率。(4)通过聚焦激光加热微通道内液柱持续蒸发-冷凝实现微通道内化学分离。盐溶液蒸发速率与纯水相比较低,通过激光持续加热溶质能够在溶液中饱和结晶分离;提升激光功率、减小加热点与界面间距能够提高溶液蒸发速率,加快溶剂蒸发冷凝分离速率;液柱前端具有液塞的气泡辅助分离方法提供了冷热分离界面,有效阻止了分离溶剂与溶液的再混合,然而其蒸发速率与单液柱相比较低。(5)设计了一种基于光热效应致流体相变的光微流体膜式化学微分离器,能够实现微通道中高效化学分离。红外光热驱动微分离器运行性能随激光功率增大、溶液浓度增大、溶液流量减小而增大;通过在分离器腔体壁面负载银纳米粒子,采用可见光激发银纳米粒子产生光热效应的加热方式,能够消除工质对红外激光选择性吸收的问题,进一步提升化学微分离器性能。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN492;TK124

【参考文献】
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