惯性力作用下金属液滴在变截面微通道内的动态特性研究

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChina博士学位论文论文题目惯性力作用下全属波滿在交截面徽通道而的动卷特性研尧到傳傳作者姓名物理电子学学科专业棼伟研免员导师姓名二〇一五年五月完成时间中国科学技术大学博士学位论文惯性力作用下金属液滴在变截面微通道内的动态特性研究作者姓名：刘婷婷学科专业：物理电子学导师姓名：苏伟研宄员完成时间：二〇一五年四月三十日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor'sdegreeResearchofDynamicCharacteristi

2、csonMetalDropletinVaryingCross-SectionMicroChannelunderInertialForceAuthor'sName：：：中国科学技术大学学位论文原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研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人己经发表或撰写过的研宄成果。与我一同工作的同志对本研宄所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：上、中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关

3、规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。乂公开□保密（年）作者签名：导师签名：签字曰期：：签字日期：摘要播逮安液态金属在常温下呈液态，具有良好的导电性、导热性和流动性，己经逐步渗透到了多个技术领域。随着技术不断发展和先进剌造技术的不断完善，液态金属在领域幵始用作电幵关的接触材料，这种“液固”接触方式替代传统的“固固”接触，解决了接触点磨损、信号

4、跳变、可靠性差等问题。将金属液滴应用在微惯性开关中不仅可用作电接触材料，还可用于敏感加速度信号，这种基于金属液滴的微惯性开关具有接触电阻小、无可动部件、可靠性高、过载电流大等特点。其工作原理是通过水银液滴受惯性力作用在变截面微通道中的流动实现开关的闭合。当惯性力达到加速度阈值时，水银液滴通过微阀门进入储液槽，闭合信号电极。微流体惯性幵关的微通道设计为变截面微通道，由变截面微通道形成的毛细管微阀门使得水银液滴运动到微阀门时受到毛细管力作用，阻止水银液滴通过微阀。只有水银液滴受到的惯性力达到临界状态（加速度阈值）时，水银液滴才会通过微阀门。因此，基于金属液滴的微流体惯性开关具有较

5、好的阈值特性。金属液滴在变截面微通道内的动态特性与常规尺度通道和等截面微通道内时存在明显不同，此时表面张力、沿程阻力、粘滞力、毛细管力都成为影响动态特性的主要因素，水银液滴在变截面微通道中的动态特性反映到幵关中就是微流体惯性开关的加速度阈值和响应时间，在本文中将开关加速度阈值和响应时间作为评价动态特性的主要指标。惯性力、变截面微通道结构参数、表面粗糙度及外界环境等因素均会影响金属液滴在变截面微通道中的动态特性，开关的加速度阈值及响应时间也会受到这些因素的影响。本文以微惯性幵关为应用背景，研究金属液滴在变截面微通道中的动态特性。釆用理论分析、数值仿真、优化设计及实验测试等手段研

6、究惯性力、变截面微通道结构参数、表面粗糙度及外界环境等因素对动态特性及开关阈值、响应时间的影响，初步获得了变截面微通道内金属液滴在多物理场耦合作用下的动态特性，其研究方法对其它基于液态金属的新型器件的设计及优化具有重要参考价值。本文主要进行了以下几方面研宄：根据微流体惯性开关的结构和工作原理，从静力学和动力学两个方面研宄了金属液滴在惯性力、表面张力、粘滞力、壁面正压力及毛细管力作用下的多物理场稱合力学特性，基于方程建立了加速度阈值的半解析模型框架；采用法对变截面微通道结构参数进行了局部和全局灵敏度分析，确定了影响金属液滴动态特性的变截面微通道关键结构参数。表面粗糙度对金属液滴

7、的动态特性通常有较大的影响，本文在结构设计阶段就考虑了表面粗糙度对金属液滴动态特性的影响。由于实际的粗糙表面摘要结构复杂，分布随机，很难清晰描述实际粗糙表面对金属液滴动态特性的影响。因此在实际粗糙表面上构造规则微结构，通过合理设计微结构形状及结构参数，使得金属液滴在规则微结构上的润湿行为处于稳定的状态，再采用接触角滞后模型定量分析规则微结构对金属液滴动态特性的影响，使得表面粗糙度对水银动态特性的影响变得可控。针对数值仿真中计算效率及精度问题，采用联合模型追踪相界面，在金属液滴运动的不同阶段通过软件自动调