微通道中液滴流变学数值模拟

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1、微通道中液滴流变学的数值模拟NumericalSimulationofDropletRheologyinMicrofluidicDevices学科专业：化学工程研究生：韩俊杰指导教师：王靖涛副教授天津大学化工学院二零一二年六月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的

2、说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日我是爱天大的！！学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要微流体是一门利用十到百微米尺度下的通道来传感、输送、检测、和控制微-9-18量流体（

3、1010升）的新兴学科。近年来由于其微尺度、层流可控等许多优点，受到了众多研究者的重视。基于液滴的微流体装置被层出不穷地设计出来，并广泛应用于生物、材料、医药等科技领域。边界元素法在描述复杂几何结构和不同的边界条件方面具有很高的灵活性，而波谱法具有指数收敛和数值稳定性。本文所采用的二维波谱边界元素法保留了波谱法与边界元素法的所有优点。我们还通过界面重构算法来提高数值计算的稳定性，通过四阶龙格库塔算法来计算界面的运动情况，以及采用离散点分断拼接技术来模拟液滴的分断过程。本文中所有的数值算法都通过Fortran语

4、言转化为Fortran程序，并在CompaqVisualFortran6中调试运行，进而得到液滴在十字形微通道、四轮磨微流体装置（MFRM）以及T型微通道中流变学的数值计算结果。液滴在十字形微通道和T型微通道中的变形和分断过程非常相似，都存在流场停滞点，且停滞点的位置与通道几何结构以及出口管道中的流量或者压降相关，只是T型微通道中通道对液滴变形的限制作用增强。通过控制流场停滞点以及液滴初始位置，我们能够可控和可重复地操纵液滴对称或非对称的变形和分断，并研究液滴各项物理参数和通道几何结构对液滴界面动力学的影响。相

5、对于十字形和T型微通道这类只能产生单一流场类型的简单通道，通过控制进出口的流量，可以在MFRM中心空腔内产生从完全延展流到剪切流到完全旋转流的所有流场类型。因此，可以对液滴在不同流场中界面的连续变形进行数值研究。另外，连接MFRM通道（进口和出口）和内腔的孔口大小，以及流入和流出微通道的连续相(CP)的体积流率，是决定停滞在通道中心的液滴变形和旋转的关键因素，尤其是液滴的旋转。本文通过数值计算和近似的量纲分析，研究了液滴旋转的平均角速度与CP的体积流率和中心空腔半径的关系，还通过对中心空腔内流场的分析，得到了直

6、接影响孔口大小的中心空腔的合适的半径。我们的研究结果对如何设计合适的通道深度大于宽度的MFRM来研究微流体流变学非常有帮助。关键词：微流变波谱边界元素法液滴十字形微通道四轮磨T型微通道ABSTRACTMicrofluidicsisthescienceandtechnologyofsystemsthatprocessormanipulate-9-18small(10to10litres)amountsoffluids,usingchannelswithdimensionsoftenstohundredsofmic

7、rometres.Duetothemicroscale,precisecontroloflaminarflowandmanyotherattractivefeatures,microfluidicshasreceivedagooddealofattentioninrecentyears.Variousdroplet-basedmicrofluidicdeviceshavebeendesignedandwidelyappliedinmanyresearchareassuchasbiology,materialan

8、dmedicine.Inthispaper,weemployatwo-dimensionalspectralboundaryelementmethodwhichexploitsallthebenefitsofthespectralmethodsandboundaryelementmethodstonumericalsimulatethemicrofluidicrheology.Besi