微通道内磁流体液滴生成及破裂行为的磁力调控

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近年来,随着微化工技术的迅猛发展,微流体与磁性粒子两者结合的微磁流控技术引起了工业界和学术界的广泛关注。自从20世纪60年代被发现,磁流体就被应用到生物、工程、医疗和化学分析等诸多领域。本文利用高速摄像仪研究了微通道内磁流体液滴的生成、破裂及其它流体力学行为,旨在对磁流体液滴的尺寸及界面动力学行为进行预测与调控。主要内容如下:研究了T型微通道内磁流体液滴生成的挤压-滴状(squeezing-to-drippping)机理。实验在截面宽度为400μm的方形通道内进行,发现了磁流体液滴的流型区:挤压、转变和滴状区及其转变机制。随着磁感应强度的增大,磁流体液滴的挤压区有所减少,挤压区内的液滴更多地移向转变区。而磁力的介入对于滴状区的影响较小,流型转变线几乎不发生改变。对比分析了有无磁场时连续相流体流速、磁感应强度和磁铁位置(位于T型分岔口上下游)对液滴生成尺寸的影响。此外,还研究了不同磁感应强度下磁流体液滴头顶部长度和最小颈部宽度的演变规律,演变过程均可分为两个阶段:液滴膨胀阶段和液滴夹断阶段。研究了Y型分岔口内磁流体液滴的破裂过程,实现了外加磁力对磁流体液滴破裂的主动调控。通过钕铁硼永磁铁(Nd Fe B)诱导生成非均匀磁场,实现了对称通道内液滴的非对称破裂或者使母液滴进入某一预定子通道,与卫星液滴分离。对比分析了有无磁场时磁流体液滴的破裂过程,讨论了磁场作用下分散相与连续相流量比,磁感应强度对子液滴尺寸的具体影响,指出磁场引起的主通道内母液滴的“初次分配”促进了下游Y型分岔口内液滴的“二次分配”即不对称破裂过程。引入磁场Bond数,提出了预测子液滴体积比的幂函数方程:Vu/Vl=1+0.05(Qd/Qc-0.95(Ca)0.06(Bom0.38。研究了Y型分岔口内磁流体液滴的四种破裂类型:完全阻塞破裂(BPO),部分阻塞破裂(BTO),无阻塞破裂(BPT)和不破裂(NB)。给出了不同磁感应强度下磁流体液滴破裂的流型图,讨论了不同破裂类型中液滴颈部宽度的演变规律。最终得到不同破裂类型下阶段转变的临界宽度值,该值与通道结构和尺寸相关,不随流体性质和外加磁场的改变而变化。此外,可控磁力也促进了液滴破裂与不破裂的转变。
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