周期温度边界条件下微流道内液滴迁移数值模拟

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本文采用界面追踪法(Front Tracking Method,FTM)对微通道内液滴建立热流耦合模型,针对液滴在时间周期性热边界条件下的迁移现象进行了深入研究。首先,对液滴在周期性热边界条件下的运动状态进行了相关数值模拟,发现了周期性温度边界下,液滴的运动状态的基本演化规律,结果表明:不同振幅在初始时刻存在一个速度分离点,超过该分离点后液滴速度与振幅正相关,振幅与液滴所能达到的最大速度成正相关。不同角频率下,输入角频率越低液滴可以达到的振动速度越大,并且液滴到达最大速度所用时间随角频率的增加而减少。对于不同的相位偏移角输入,同向的相位偏移角情况下,若相位偏移角小于1/4周期,则随着相位偏移角的增加,液滴所能达到最大速度均依次下降,对于反向相位偏移角,则随着反向相位偏移角的增加,液滴所能达到最大速度也依次下降。雷诺数Re越小,液滴迁移所能够达到的最大迁移速度越大,同时,液滴开始发生速度分离的点也会相应提前。本文还研究了存在初始温度场下的液滴迁移现象。结果表明,初始温度场会对液滴迁移产生影响,但这种影响将仅在液滴迁移初期存在。随着时间的增加,液滴将在前1/4周期左右产生速度分离,并随着波形的不同产生大小不同的反向加速度。液滴所能达到的反向最大速度与给定周期性振幅相关。不同的温度基准对液滴迁移会产生影响,若基准温度高于初始温度场,液滴会在达到分离点后,仍保持速度增加,否则,液滴将速度缓慢降低至反向运动。针对液滴本身的普朗特数Pr做出了相应研究发现,Pr数更大的液滴,通过温度变化控制运动状态时,液滴运动更加明显,并且随着Pr数的增大,液滴对温度的微小变化更加敏感。对于不同波形的周期性波动形式,对比方波、正弦波、三角波和锯齿波发现,在同种输入振幅和频率下,液滴在不同的输入波形下其的振动幅度和功率密度由大到小总存在着方波、正弦波、三角波和锯齿波的数值关系。其次,在同种波形下,其输入幅值的差异也会导致液滴运动最大幅度的不同,其在不同的波形下均展现了显著的一次函数关系,对于功率密度展现了显著的二次函数关系。而相对于输入频率的差异,会同时导致液滴达到的最大运动幅度和液滴本身的运动频率的不同。输入温度波形的频率增大,则液滴可以达到的最大运动幅度降低,频率增高,液滴的功率谱密度函数也随频率增而降低,达到极值的频率增大。这种特点对于选定的四种波形均成立,但并非成一定的函数关系。总之,本文对于单个液滴处于温度场中的热毛细迁移现象进行了数值模拟研究,得到了液滴处于波动的温度场中迁移的相关结论,对生物制药、细胞培养等工程技术应用具有理论参考意义。
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