论文摘要
微气泡（液滴）以其独特的流体力学特性及尺度效应,正在医学、化工、动力、环境、日常生活等领域获得越来越广泛的应用。与传统方法相比,利用微流体机械可以生成单一性更好、大小可调的微气泡（液滴）,如MicrochannelEmulsification方式、Capillary Flow Focusing方式及T-junction Microchannel方式。但是限于目前的研究还较少,人们还无法完全解释这些微气泡（液滴）生成方式的机理、结果及过程中的一些“奇特”现象。目前已经有较多关于微通道内两相流动特性（两相流压降等）的研究,但在流型之间的转变机理上的研究还大部分停留在经验的试验图表阶段。基于以上这些问题,本文将采用理论分析的方法对各种微气泡（液滴）生成方式及微通道内两相流型进行研究。对于Microchannel Emulsification方式生成微气泡（液滴）:通过列写外界能量输入及生长过程中气泡（液滴）表面自由能增加的表达式,证实了对于气泡（液滴）在台阶上的可逆膨胀过程,表面自由能的增加等于外界做的总功;考查了气泡（液滴）表面积与体积的比,得出了若气泡（液滴）初始半径为O的话,其初始生长耗能将为无穷大的结论,而这在现实中是不能实现的,从而解释了每次生成过程均会在台阶上留有剩余分散相流体的原因;仔细分析了已有的液滴直径d随台阶长度L和微通道高度h变化的实验数据,通过使用无量纲数d/h及L/h,并采用对数形式重新整理这些数据,从而在没有假设条件的情况下得出了与试验数据符合较好的预测生成液滴大小的数量级关系式,并与文献中得出的关系式进行了比较;对于T-junction Microchannel方式生成微气泡（液滴）:分析了这种方式生成微气泡（液滴）的过程中各种起作用的力的大小,发现阻力与表面张力对气泡（液滴）的脱离起主导作用。将这两个力在微通道中合理的表达出来,从而利用力的平衡得出了预测微气泡（液滴）大小的数量级关系式,并发现与已发布的试验数据符合较好,从而解决了T型微通道中生成的较小的气泡（液滴）的体积计算问题。此外还对这个数量级关系式进行了讨论,发现最终生成的气泡（液滴）的体积随Capillary数减小而增大,随分散相流体与连续相流体的流量比增大而增大。从宏观通道中两相流流型之间过渡的机理出发,发现在微通道中,也应满足两相邻气泡（液滴）间的连续相流体在其流动方向上足够“长”从而能使变形的速度分布重新恢复时,柱状流动流型才能稳定的条件,从而解释了微通道中由柱状流动流型向过渡流动流型转变的机理,并据此提出了过渡的数量级理论界线式。