基于扫描Micro-PIV技术的纳升/皮升尺度流量测量方法与装置

发展纳升/皮升尺度流量测量技术是研究微流体动量、能量及质量传递规律、实现传递过程精确分析的重要基础。项目在研究扫描Micro-PIV技术基础上，通过获取不同流体层二维及法向速度完成三维流场构建，利用截面积分原理获得微流体纳升/皮升尺度流量。为实现上述目标，项目将应用光学变焦原理及锁相控制技术研制光学旋转盘扫描装置及其控制系统，完成显微粒子图像连续瞬时跨层扫描；发展粒子图像分组系综相关及判读域粒子速度的空间平均算法，计算定常与周期性微流动的流体层二维速度，并通过积分连续方程获得全场法向速度；开展近壁区速度不确定性分析及重构研究，解决近壁区与主流区速度的光滑衔接问题，为三维流场的准确构建提供完备的软硬件支撑，最终实现纳升/皮升尺度流量的高精度测量。项目开展的复杂结构、分支结构微通道以及极端微细通道流量测量，对于发展微电子机械系统及"芯片实验室"微流控技术、实现微流体输运过精确控制具有重要意义。

发展纳升/皮升尺度流量测量技术是研究微流体动量、能量及质量传递规律、实现传递过程精确分析的重要基础。项目在研究扫描Micro-PIV 技术基础上，通过获取不同流体层二维速度完成三维流场构建，利用截面积分原理获得微流体纳升/皮升尺度流量。围绕上述目标，项目开展了三维Micro-PIV测速技术及微通道流量的可视化测量方法等研究。利用高精度的三维坐标调节装置对微流体粒子图像进行分层扫描，实现了覆盖全流场不同流体平面的二维速度测量，在此基础上完成了微通道三维空间的速度场构建和截面流量的计算。开展了不同参考流量下的长直通道和三种T型通道的微流量测量，在纳升尺度下实现了流量的高精度测量。由于相关深度（DOC）的影响，分层测速中通常存在壁面和中间层流场测量精度不高的问题。项目采用低密度粒子图像叠加技术，通过图像预处理、设置灰度阈值等图像处理方法，有效去除了焦平面外粒子图像，最大限度减小了背景粒子对相关函数的影响，提高了分层速度测量的精度。利用长直通道的分层速度场测量验证了该方法的有效性，并应用于微柱群绕流流场的测量。基于Micro-PIV技术，项目开展了微柱群结构和填充微珠等结构的多孔介质内流流场的实验研究。利用流场可视化测量方法和高精度的压差测量仪器，对微柱群多孔介质的渗透率进行了分析，给出了新规律。对填充微珠多孔介质的可视化测量方法进行了探讨，分析了因不规则结构引起的复杂速度场的统计规律。此外，针对微米/亚微米荧光粒子在水里和两种有机介质溶液中的布朗运动进行了实验研究，在高精度的粒子追踪测量方法上进行了探索。针对微流体三维全场速度测量，项目同时开展了散焦粒子图像三维测速技术的研究，并初步完成了相关硬件平台的搭建和软件设计。截止到目前，已在国际国内期刊和会议上发表12篇研究论文（未包括课题前期准备已发表的论文），其中T型通道和长直通道内流三维流场构建及流量测量方法的研究分别发表于《Measurement Science and Technology》和《仪器仪表学报》等国际和国内仪器测量领域的重要期刊上。培养了7名硕士研究生，其中一人获浙江省优秀硕士毕业生称号，其硕士论文获校优秀硕士论文。作为参与人之一，项目负责人获教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖。