微通道内非牛顿流体中液滴生成机理和实验研究

基于微液滴的微流体技术在生物医学、石油化工和材料制备等领域具有重要应用价值，微液滴作为反应的控制单元，分散均一微液滴的形成及其微液滴体积大小的可控性成为了该研究方向的关键性问题。本项目以微通道内非牛顿流体中液滴生成为研究对象，通过构建共聚焦的Micro-PIV可视化测量系统，对微通道内假塑性非牛顿流体中液滴内部及周围流体进行二维及三维流场测量，并进一步分析剪切力场及微通道内粘度的变化趋势，阐释微细尺度效应以及非牛顿流体流变学性质对液滴生成的影响规律，归纳分析液滴生成类型及生成机理，建立液滴生成尺寸的预测模型，为微流动装置的优化设计提供理论基础和实验依据。

基于液滴的微流控器件在化学、生物学、医学等领域具有巨大应用潜力。微通道中液滴的流动特征有别于宏观情形。目前对微器件中液滴控制的研究和认识还很有限。因此，我们针对微尺度液滴的输运规律和操控方法进行研究，建立描述微流控器件中液滴运动过程的模型，实现对复杂微流动网络中液滴的有效控制。首先结合实验、CFD模拟及理论分析，研究了液滴在微通道中的生成和输运规律，揭示同步化现象与入口流量条件、器件结构尺寸等参数的关系，发现液滴所造成的压降对液滴同步发挥关键作用，并基于最小二乘法拟合液滴压力将随毛细数的变化关系。运动液滴在具有环形（loop）结构的微流控器件中表现出编码、解码、多周期性等复杂动力学现象。通过实验在含环形结构的微流动网路中研究了双液滴串通过拓展的环形结构组合成一新液滴串的编码问题，并对液滴运动过程的实验结果进行数学分析，得到实现两液滴串在含类环形微流控器件中逻辑编码的控制模型，揭示新液滴串信息和双液滴串的输入信息、外加调控流量等参量之间的关系。