微剪切流场中颗粒横向迁移机理的可视化实验研究

The cross-flow migration of particles in the micro-shear flow field is a unique and ubiquitous phenomenon of particle two-phase flow. The research on the mechanism of particle cross-flow migration has become one of the hot-point topics in micro- and nano-fluidic mechanics. Due to lack of fine quantitative observation method, no experimental research on the mechanism of cross-flow migration of particles has been seen so far. Based on the development of an innovative particle image velocimetry system, the experimental investigation of particle cross-flow migration mechanism in the micro-shear flow field will be obtained by real-time measurements of the three-dimensionally spherical particle body motions and the fluid field around the particles as well as the time-spatial evolvement of cross-flow lift forces and their statistics characteristics. To achieve above goals, the project will develop a new type of optical defocusing particle image component based on the principle of optical partition filtering to upgrade the existing high-speed three-dimensional defocusing particle image velocimetry system; investigate the method of marking fluorescent tracking particle on the surface of microsphere, and develop three-dimensional space tracking algorithm for randomly distributed particles to realize three-dimensional particle body motion analysis; carry out the visual measurement of the fluid field around the particles to disclose the statistical characteristics of the fluid field around the particle during migration. Based on the research above, a complete hardware and software supports will be provided for visualized experimental investigation on the mechanism of particle cross-flow migration. The research of the project will not only provide an important idea to solve the problem that the mechanism of the special particle two-phase flow lacks experimental support, but also lay a solid foundation for the development of three-dimensionally experimental technique of particle two-phase flow.

颗粒在微剪切流场中的横向迁移是一类特殊而普遍存在的颗粒两相流现象，近年来已成为微纳流体力学领域的热点研究方向之一，但由于缺乏精细化定量观测手段，迄今未见针对该现象产生机理的实验研究。项目在发展新型显微粒子图像测速系统基础上，通过开展颗粒体三维运动及其绕流流场定量观测，获得颗粒横向升力的演化规律及其统计特征，实现颗粒横向迁移机理的可视化实验研究。为完成上述目标，项目将基于分区光学滤波原理研制新型光学散焦粒子图像元件，升级现有高速散焦显微粒子图像测速系统；研究颗粒表面荧光示踪粒子标记方法，发展空间随机分布粒子群三维追踪算法，实现颗粒体三维运动分析；开展颗粒绕流流场的可视化测量，揭示颗粒迁移过程绕流流场的统计特征，为实现颗粒横向迁移机理的可视化实验研究提供完备的软硬件支撑。项目不仅为解决这一特殊颗粒两相流机理研究缺乏实验支撑的现状提供了重要思路，也将为发展颗粒两相流三维全场实验技术奠定坚实基础。

颗粒在微剪切流场中的横向迁移是一类特殊而普遍存在的颗粒两相流现象，近年来已成为微纳流体力学领域的热点研究方向之一。根据项目的计划任务，主要开展了以下研究工作。. 一、为掌握微剪切流颗粒横向迁移的规律，并为实验研究提供比对，针对圆管和方管层流流场内中性单颗粒的惯性横向迁移现象开展了数值模拟研究。将颗粒在进口截面的若干位置进行释放，采用离散颗粒模型（DPM），计算了粒径为d=0.8mm、d=1mm、d=1.2mm的三种球形颗粒在雷诺数Re=100、125、150条件下，由不同初始位置释放后在流场中的迁移轨迹及其发生横向迁移后所达到的平衡位置。计算结果表明，对于圆管，颗粒在初始半径分别为0.7R与0.8R（R为圆管半径）释放时，其惯性迁移的平衡位置均在0.6R附近；随着粒径的增加，颗粒的迁移的平衡位置将向管道轴心偏移；随着Re数的增加，颗粒的迁移的平衡位置向管壁方向偏移。对于方管，颗粒的初始释放位置设定为z0=0.22L与0.33L（L为方管截面边长），当颗粒释放位置越靠近通道轴心时，颗粒的横向迁移距离越短；并且随着Re数的增加，颗粒的平衡位置会更加偏向通道中心；相对于大颗粒来看，小颗粒的平衡位置更靠近壁面。 二、开展了颗粒两相流相关的可视化实验研究。包括：1）微球颗粒多孔介质流场的可视化实验研究。速度场测量结果表明，相同流量下随着微球直径减小，速度值增大。无量纲展向速度v符合正态分布趋势，且不同模型统计结果基本不变，说明概率密度函数分布与微球的直径无关。2）追踪布朗粒子迁移对浓度为0.4wt%-1.0wt%的PEO稀溶液在25℃、35℃、45℃时的微观流变特性进行了测量和分析。研究结果表明，随着被测溶液浓度的增加，探针颗粒的布朗运动受限趋势增大，其中浓度1.0wt%PEO溶液25℃时布朗运动受限最为明显，均方位移（MSD）与时间t（MSD-t）曲线出现弱“平台区域”特征。随着温度升高，颗粒布朗运动随之增强，曲线“平台区域”消失。粘弹特性模量求解结果表明，在实验条件下PEO溶液的粘性模量()占主导而弹性模量()表现较弱。在相同温度下，粘弹性模量随着溶液浓度上升而增加。. 项目执行期间共发表5篇学术期刊论文，其中国际流体力学主流期刊2篇（含录用1篇），国内核心期刊《实验流体力学》一篇等，培养硕士研究生2名。