壁面润湿图案导引的微通道各向异性流动机理及混合效率

Microchannel flow has the key features of low Reynolds number and laminar flow, which greatly limited its mixing efficiency. This project proposes a new method of anisotropic flow induced by patterned wettability on the walls of microchannel, which results in a chaotic convection by the variation of interfacial tension gradient generated on the wettability-patterned walls. It will be useful in improving the mixing efficiency in microchannel flow.. In this project, we will focus on the smooth and straight microchannels with wettability-patterned stripes on the walls, and study the modeling and analyzing of a no-slip/slip combined boundary condition to understand the distribution of interfacial tension and the features of the anisotropic flow induced by wettability-patterned surfaces. The theoretical and experimental results will be then applied to an typical application in microfluidic mixing, and the mixing efficiency will be discussed based on the wettability of the solid surfaces and the geometrical parameters of the wettability patterns. Finally, we will provide detailed key process and processing parameters of the fabrication of the wettability-patterned surfaces on the walls of microchannel. The method of patterned wettability based on the technology of surface processing, which avoid the ultility of complex three dimensional geometric structures and active input of external energies. Therefore, the project not only provides a new method for improving the mixing efficiency and the conservation of energy for microfluidic systems, but also provides the theoretical and experimental methods for the studies of interfacial effect and its application in microfluidic systems.

微通道流动的低雷诺数和层流特点是提高混合效率的难点。本项目提出了壁面润湿图案导引微通道各向异性流动的新原理，利用微通道内壁的图案化润湿区域，引起流动界面张力梯度变化，进而形成流体的混沌对流，提高微通道流体混合效率。. 本项目将以具有壁面润湿图案的光滑平直微通道流动为对象，研究无滑移/滑移组合边界条件下的微通道流动建模与计算方法，进而研究壁面润湿图案作用下的界面张力分布与各向异性流动规律；然后，以微流体混合为典型应用，研究壁面润湿性和润湿图案几何参数对混合效率的影响；并最终形成微通道壁面润湿图案加工的关键工艺和工艺参数。该原理基于微通道的表面技术，可避免复杂三维几何结构或主动能量输入。该研究不仅为提高微通道流体混合效率、节约微流动系统的能源提供了新方法，也为研究微流动系统中界面效应的作用机理和应用提供了实验依据。

微流控技术在微纳米制造、生化分析、生物医药、化学反应、新能源、及食品工业等领域有着巨大的应用前景，其中壁面润湿性对微流体流动特性以及流体界面的相互作用有很大的影响，利用壁面润湿性的影响对微流体流动，及多相流体间相互作用进行精确定量控制，可以进一步拓展微流控技术的应用范围。本研究主要以壁面润湿图案导引的各向异性流动作用下的微流体混合为研究对象，主要研究内容及其成果包括以下四方面。第一，研究了微通道内壁润湿图案的加工方法及其应用，实现了玻璃毛细管内壁的分段润湿图案和条纹润湿图案加工，在此基础上，获得了微乳化液流经润湿条纹的流动特性，并将其应用于单乳化液油水相分离的回收应用中。第二，研究了基于印刷电路板的电控润湿图案的加工方法及其应用，实现了传统电润湿技术无法实现的非水溶性流体的操控，如油相流体、有机溶剂和气体，并进一步实现了电控润湿微混合反应器，完成了油滴聚并混合、有机溶剂溴苯和苯乙烯的混合与反应等典型应用实例。第三，研究了水的相变对固壁表面润滑特性的影响及其应用，包括水气相变方面的疏水壁面微气泡初生阶段的形态变化及其对壁面滑移的影响，以及冰水相变方面的低速重载工况下冰水转化条件及其对润滑特性的影响。第四，研究了微通道流动液滴内部混合流场及其在微混合反应器中的应用。利用水平集法耦合对流扩散方程的数值模拟方法，求解了液滴内部流场分布以及组分分布随时间的变化情况，并进一步计算得到液滴内部混合程度随时间的变化情况。本研究不仅为基于液滴的微混合反应器等微流控系统应用提供了新的方法，也为研究微流动系统中界面效应的作用机理和应用提供了实验依据。