微小槽道内光热致气-液界面相变驱动的液体运动机理及特性研究

微流控芯片（microfluidics）中现代光学的引入产生了一门新兴交叉学科-微流控光学系统（optofluidics）。其中，基于光热效应的微流控芯片由于系统简单易操控已引起人们的广泛关注。光热效应致微流控芯片系统是一个涉及微流体的流动和传热、光传播及光热效应相耦合的复杂体系，微流体的流动与传热特性对其性能有着重要影响。本项目就是以应用于微流控芯片的新型光热致相变驱动微流泵中的两相流动与传热特性为研究对象，开展系统的可视化实验研究微小槽道内光热致气-液界面相变驱动微流体的两相流动与传热特性；并采用VOF（Volume of Fluid）方法对其中的两相流动和传热进行数值模拟。将实验研究和数值模拟研究相结合，揭示光热致相变驱动微流泵中光热效应致两相流动和传热特性及各设计和运行参数的影响规律。促进光致微流控芯片技术的发展，为应用于微流空芯片中的新型光控相变驱动微流泵的开发奠定基础。

光微流体是将现代光学和微流控芯片融合而成的一个新兴学科。由于光与流体间的作用方式多，可以实现微流控芯片的不同功能，其中包括基于光热效应的相变驱动微流泵。这种新型微泵是一个涉及流体流动、光传播及光热效应、传热和相变、冷凝液滴生成及液滴与来流液柱聚合等相耦合的复杂过程。本项目围绕该关键科学问题，开展了系统深入的实验和理论研究。. 首先对水平固体表面光热效应致液滴蒸发冷凝特性开展可视化实验研究，获得了液滴在光热效应作用下的相变及界面变化特性，探究了激光功率和液滴体积对液滴蒸发冷凝特性的影响。在此基础上，进一步对微槽道中的光热致液滴流动和传热特性进行理论和可视化实验研究。先对油相中单个水相液滴光热效应致传热特性进行了二维数值模拟研究，获得了激光功率、光斑位置以及光斑尺寸的影响规律；然后扩展到三维数值模拟，并考虑外载流的影响。基于这些研究成果，本项目提出了一种新型基于光热效应的液滴式反应器。由于光热效应致弯液面蒸发特性对微泵的性能具有十分重要的影响，本项目对微槽道内光热效应致弯液面蒸发特性进行实验研究，得到了激光功率和加热点位置对蒸发速率的影响。然后结合数值模拟和实验研究，采用VOF方法以及CLSVOF方法数值模拟研究了微流泵中来流液柱与光热效应致蒸发冷凝的液滴的聚合特性，获得了光热效应致相变驱动微流体中的气液两相流动特性和界面行为，揭示了来流液柱与液滴的聚合是驱动液体整体向前运动的关键因素；并通过可视化实验，验证了该结果。最后，在这些剥离各参数影响的研究基础上，系统研究了微通道中光热效应致蒸发、冷凝、聚合及界面迁移特性，获得了光斑位置、槽道尺寸、激光功率对这一新型微泵的影响规律。. 通过本项目的研究，获得了光控液滴在微通道内的运动特性和传热特性以及各设计和运行参数对其影响规律，揭示了光热效应致相变驱动微流泵的工作机理以及影响规律，构建了微槽道内光热效应致相变驱动微流泵内的相变驱动流体流动与传热模型，获得了相关设计和运行参数的影响规律。这些成果为基于光热效应的光微流控芯片的开发和应用提供了坚实的基础。