復(fù)合流動(dòng)聚焦的實(shí)驗(yàn)和理論研究.pdf

1、復(fù)合流動(dòng)聚焦(compound flow focusing)是一種毛細(xì)流動(dòng)現(xiàn)象。它通過物理剪切將毫米尺度的液體界面平穩(wěn)地拉伸為微米尺度的射流，射流則因擾動(dòng)的增長(zhǎng)而失穩(wěn)破碎為單分散性的液滴。該技術(shù)穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)條件寬松，非常適用于制備微米/亞微米尺度的液滴或顆粒，在科學(xué)研究和生產(chǎn)應(yīng)用方面都有著重要價(jià)值。本文重點(diǎn)研究了復(fù)合流動(dòng)聚焦中的電流動(dòng)聚焦(electro-flow focusing，EFF)和同軸流動(dòng)聚焦(co-f

2、low focusing，CFF)，主要內(nèi)容描述如下:
　　1.采用焊點(diǎn)法制作了便于調(diào)節(jié)和清洗的同軸針頭，使用有機(jī)玻璃板加工出便于實(shí)驗(yàn)觀察的氣腔。在搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)對(duì)同軸錐形的影響，測(cè)量了聚焦小孔出口處射流的直徑d和界面擾動(dòng)波的波長(zhǎng)λ隨氣壓差△Pg和流量Q的變化規(guī)律，并初步研究了內(nèi)外層液滴的包裹模式。
　　2.基于EFF實(shí)驗(yàn)建立了用于帶電“液-氣”復(fù)合射流穩(wěn)定性分析的理論模型，開展了無粘和粘性時(shí)間不穩(wěn)

3、定性分析。模型中“液-氣”射流由半徑為R的圓柱液體射流和無限大的環(huán)形氣體區(qū)域構(gòu)成。在無粘模型中采用均勻速度剖面并只考慮軸向電場(chǎng)的影響;有粘模型中則同時(shí)考慮了軸向電場(chǎng)和徑向電場(chǎng)，并基于管流和誤差函數(shù)構(gòu)造了液體射流和驅(qū)動(dòng)氣體的速度剖面。時(shí)間穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)軸對(duì)稱(n=0)擾動(dòng)和第一類非軸對(duì)稱(n=1)擾動(dòng)對(duì)射流的失穩(wěn)起主導(dǎo)作用。在分析了表面張力、粘性、速度以及密度對(duì)射流穩(wěn)定性的影響后，本文重點(diǎn)分析了軸向電場(chǎng)和界面上的初始自由電荷的影響，發(fā)現(xiàn)自

4、由電荷密度Q0能極大的促進(jìn)軸對(duì)稱和第一類非軸對(duì)稱擾動(dòng)的增長(zhǎng)，且當(dāng)Q0足夠大時(shí)，隨著軸向電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，射流將從軸對(duì)稱破碎模式過渡到非軸對(duì)稱破碎模式。最后，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)下計(jì)算了n=0時(shí)射流的最不穩(wěn)定擾動(dòng)的波長(zhǎng)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好。
　　3.基于CFF實(shí)驗(yàn)建立了用于三相復(fù)合射流穩(wěn)定性分析的理論模型。該模型中同軸射流由半徑為R1的圓柱射流和外徑為R2(R2＞R1)的環(huán)形射流組成，射流周圍是與射流同向流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)流體。三相

5、流體均為粘性流體，同時(shí)基于管流和誤差函數(shù)建立了射流和驅(qū)動(dòng)流體的基本速度型。通過時(shí)間不穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)了四種不穩(wěn)定模，并研究了重要無量綱參數(shù)對(duì)射流穩(wěn)定性的影響規(guī)律，分析了射流內(nèi)外界面間的耦合關(guān)系。結(jié)果表明:一般情況下，stretching模是最不穩(wěn)定的;增加內(nèi)外層界面的界面張力以及減小流體的粘性均有利于同軸射流的破碎;基本速度型對(duì)同軸射流時(shí)間穩(wěn)定性的影響呈對(duì)稱性;驅(qū)動(dòng)流體粘性越低，速度越高，射流越容易從軸對(duì)稱破碎模式轉(zhuǎn)換為非軸對(duì)稱破碎模式;

6、外層界面會(huì)促進(jìn)內(nèi)層界面擾動(dòng)的發(fā)展并對(duì)內(nèi)層界面有軸向拉伸作用。
　　4.采用同軸流動(dòng)聚焦技術(shù)制備了以磷脂分子為外殼，溶有納米銀顆粒的十氟戊烷為核的可激發(fā)微泡(stimuli-responsive microbubbles，SRMs)，并推導(dǎo)出SRMs粒徑分布的尺度律。然后在自行搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了SRMs的激光激發(fā)(optical droplet vaporization，ODV)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SRMs具有良好的定點(diǎn)、可控激發(fā)潛力。最