微管中液体流动减阻特征研究

来源 :浙江师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoxi0504
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随着微机械系统(MEMS)的兴起与发展,微尺度下液体流动的特性研究越来越受到研究人员的重视,其中存在不少减阻及散热问题,其对微机械系统技术的发展有着至关重要的影响。本文主要研究微通道中液体流动的减阻、滑移特性。首先以表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为吸附介质来改变微管内壁的润湿性,在50、75、100微米直径的微管中进行吸附前后的去离子水流动实验。采用体积测量法测量微管中去离子水的流量,比较去离子水在同一压差下、CTAB吸附前后的流量,研究表面活性剂的减阻特性。并根据实验结果,从理论上计算出液体在微管中流动时管壁处的滑移速度和滑移长度,分析产生滑移的原因及其影响因素。结果表明:去离子水在CTAB吸附前的微管道中流动的流量-压力梯度特性符合经典的Hagen-Poisseuille方程,表面活性剂吸附后的微管中的去离子水的流量明显大于吸附前的,增加量最大可达6.3%,究其原因是CTAB的吸附使微管内壁的亲水性大大降低,流动阻力减小而导致流量增大。同时分析了吸附时间和减阻效率的关系,结果表明:CTAB的吸附减阻具有峰值。CTAB在微管道内壁的吸附分为两个阶段:单层吸附和双层吸附阶段。单层吸附时微管道内壁的亲水性降低,当单层吸附达到饱和时,减阻效率最大。在CTAB处理后微管道中发生界面滑移现象,滑移速度与剪切率成线性关系,而滑移长度不随剪切率的变化而变化,保持在一个定值,在直径100μm中的滑移长度约为0.57μm,75μm中约为0.41μm,50中的约为0.32μm。通过AFM实验发现,微管内壁表面上由处理前的大约为7nm左右的峰谷变为处理后的100nm左右的峰谷,水在其表面上的接触角由26°增大到了63°,说明微管内表面活性剂的吸附对流动滑移的产生具有重要的影响。设计了静态法测液体在微管中流动的启动压力实验,根据实验结果绘制出微管内径与启动压力的幂函数关系曲线。结果表明:同一直径的微管,CTAB处理后的启动压力明显低于处理前的,说明CTAB的吸附使液体启动压力大大降低了。最后研究了微管中两相流体界面特征,结果表明:水在微管中流动的气液界面随着流速的不同形状发生改变,流速较小时,界面基本保持为凹液面;随着流速的增加,液面由凹液面向平液面发展,当流速增加到一定程度时,液面发展为凸液面的形状,即润湿滞后现象。并且在表面力的作用下,微管的尺寸越小,以及两相流体的性质差别越大,界面的润湿滞后现象越不明显。
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