摘要： 為研究微通道氣液柱塞流三維流場(chǎng)特性，采用三維Micro PIV技術(shù)對(duì)微通道氣液柱塞流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過處理分析柱塞流圖像，獲得氣泡前部區(qū)域的示蹤顆粒分布圖和三維速度分布圖.研究結(jié)果表明：在氣泡前部區(qū)域存在兩個(gè)對(duì)稱的方向相反的漩渦；在氣柱頭部附近區(qū)域，流體以較大速度沿著氣柱表面流動(dòng)；在遠(yuǎn)離氣柱頭部的區(qū)域，與單相流有類似的拋物線速度分布；在氣液界面和壁面之間的流體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，有可能流向氣液界面，也有可能流向壁面，氣液界面近似為剛性.

關(guān)鍵詞： 微通道；柱塞流；三維流場(chǎng)；MicroPIV

中圖分類號(hào)： O358文獻(xiàn)標(biāo)志碼： AExperimental Investigations of ThreeDimensional Flow

微通道是微流控芯片的最基本組成單元之一.微細(xì)通道內(nèi)氣液兩相流型、壓降和流動(dòng)穩(wěn)定性等特性與宏觀尺度常規(guī)通道有顯著差異[1].文獻(xiàn)[2]對(duì)直徑為1 mm和1.4 mm的水平圓形毛細(xì)管進(jìn)行了兩相流實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)主要流型為柱塞流和環(huán)狀流.文獻(xiàn)[34]中，實(shí)驗(yàn)觀察到泡狀流、柱塞流、攪拌流、柱塞環(huán)狀流和環(huán)狀流.文獻(xiàn)[56]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有泡狀流、柱塞流、攪拌流和環(huán)狀流.文獻(xiàn)[78] 研究發(fā)現(xiàn)有泡狀流、柱塞流、柱塞環(huán)狀流、攪拌流和環(huán)形流等流型.上述文獻(xiàn)對(duì)不同材質(zhì)、不同微細(xì)流道截面形狀和不同工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，表明柱塞流是微通道主要且重要的流型.

文獻(xiàn)[910]中證實(shí)了泰勒氣泡在液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，微流道截面的中部區(qū)域、氣泡頭部的氣液界面推動(dòng)液體向前流動(dòng)，并在靠近壁面的區(qū)域形成兩個(gè)沿流道中心線對(duì)稱的漩渦.文獻(xiàn)[1112]對(duì)垂直管和水平矩形管柱塞流進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)液膜隨毛細(xì)數(shù)增大而變厚，導(dǎo)致膠囊狀的氣泡尾部變得扁平并進(jìn)一步變成凹面，采用VOF方法對(duì)柱塞流速度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，獲得了液柱的流場(chǎng)細(xì)節(jié).文獻(xiàn)[13]對(duì)矩形微通道柱塞流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)壓降主要由微通道內(nèi)的氣泡數(shù)目決定.文獻(xiàn)[14]中總結(jié)了多相流反應(yīng)器內(nèi)的微通道柱塞流方面的研究，對(duì)柱塞流對(duì)傳質(zhì)的影響、柱塞的壓降和停留時(shí)間做了分析和評(píng)估.文獻(xiàn)[15]對(duì)豎直毛細(xì)管長(zhǎng)柱塞流內(nèi)添加表面活性劑的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了液膜減薄和延遲效應(yīng)，并建立了氣泡上升速度與液膜厚度的關(guān)系式.

目前文獻(xiàn)多數(shù)是關(guān)于微通道流型和壓降的研究，流場(chǎng)方面的研究多是二維實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，而少有關(guān)于柱塞流三維流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究.本文利用三維MicroPIV技術(shù)對(duì)微通道氣液柱塞流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察測(cè)量，通過圖像處理分析，研究氣泡頭部區(qū)域流場(chǎng).西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)第48卷第2期王凌等：微通道氣液柱塞流頭部流場(chǎng)三維實(shí)驗(yàn)研究1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由流體加注系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)段、電加熱系統(tǒng)、激光器系統(tǒng)和可視化MicroPIV系統(tǒng)組成.

1. 注射泵； 2. 激光器電源； 3. 固體激光器；

4. 實(shí)驗(yàn)段； 5. 加熱器； 6. 智能溫控表；

7. CCD攝像機(jī)； 8. 熒光顯微鏡；

9. 計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)； 10. 燒杯

流體加注系統(tǒng)包括注射泵、注射器、燒杯以及連接管道等部分.本文工質(zhì)采用濃度0.01 M的硼砂溶液， Duke Scientific公司生產(chǎn)的直徑為0.5 μm聚苯乙烯球作為示蹤粒子.綠色固體激光器的波長(zhǎng)為532 nm，顆粒受激產(chǎn)生610 nm的熒光.為控制工質(zhì)流量，用Aitecs公司生產(chǎn)的SEP10S型數(shù)控注射泵驅(qū)動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)，其相對(duì)精度為±2.0%.1.2實(shí)驗(yàn)段采用浙江大學(xué)微分析系統(tǒng)研究所利用氫氟酸溶液濕法刻蝕技術(shù)制作的玻璃微通道芯片，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.通道截面為100 μm×30 μm（寬×高），長(zhǎng)度為40 mm.微通道芯片兩端留有蓄液池作為連接孔，蝕刻深度與通道深度一致，連接孔直徑為2 mm.由于刻蝕技術(shù)原因，微流道截面并不是規(guī)則的矩形，經(jīng)測(cè)量截面尺寸為97 μm×27 μm（寬×高）.

實(shí)驗(yàn)段裝置剖面示意如圖3所示.微流道芯片基片材質(zhì)是普通綠玻璃，在50～200 ℃內(nèi)，平均膨脹系數(shù)為9.4×10-6/℃，折射率為1.512，化學(xué)穩(wěn)定性良好，可較好地滿足實(shí)驗(yàn)條件.

1.3可視化MicroPIV系統(tǒng)可視化MicroPIV系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、落射熒光顯微鏡、數(shù)據(jù)采集卡、微型計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成.圖像采集設(shè)備是BASLER公司生產(chǎn)的A102f型號(hào)的高靈敏度黑白CCD攝像機(jī)，最大分辨率為1 392×1 040，每個(gè)像素的大小為6.45 μm×6.45 μm，在最大分辨率的8位輸出模式下最大采集幀率為15.1 幀/s.

圖像采集系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、圖像采集軟件和計(jì)算機(jī)構(gòu)成.核心儀器是科儀電光儀器廠生產(chǎn)的YZ2型落射式熒光顯微鏡.圖像采集系統(tǒng)記錄和存儲(chǔ)微流道實(shí)驗(yàn)段中的熒光顆粒衍射圖像.北京榜首科技公司生產(chǎn)的固體激光器作為激發(fā)光光源，配置 50 mW連續(xù)藍(lán)光激光器（波長(zhǎng)為473 nm）和500 mW連續(xù)綠色激光器（波長(zhǎng)為532 nm）.藍(lán)色和綠色激光器分別采用VAⅡ型和VDⅢ型激光驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度.1.4實(shí)驗(yàn)方法將盛有工質(zhì)的注射器安置在注射泵上，打開注射泵，運(yùn)行1～2 h，使流量平穩(wěn).使用激光器調(diào)節(jié)光路，并精確進(jìn)入落射顯微鏡.將實(shí)驗(yàn)段固定在載物臺(tái)上，然后打開并設(shè)置圖像采集系統(tǒng)，調(diào)整采集設(shè)置，調(diào)節(jié)載物臺(tái)和物距、燈室亮度和激光強(qiáng)度以獲得最佳成像效果.調(diào)節(jié)CCD位置使微流道圖像呈現(xiàn)在水平方向，觀測(cè)熒光顆粒的流動(dòng)，待流動(dòng)平穩(wěn)后加熱實(shí)驗(yàn)段，運(yùn)行圖像采集軟件，當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定的氣液柱塞流時(shí)，采集并保存數(shù)據(jù)圖像.記錄采集時(shí)的溫度、物距、采集幀率和快門時(shí)間，重復(fù)采集圖像完畢，調(diào)節(jié)顯微鏡旋鈕改變物距和溫度進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉實(shí)驗(yàn)段加熱，讓注射泵運(yùn)行至實(shí)驗(yàn)段冷卻，之后依次關(guān)閉激光器電源、注射泵圖像采集軟件和計(jì)算機(jī).2實(shí)驗(yàn)圖像處理2.1圖像處理誤差微流道圖像的流道邊界誤差在兩端各不超過0.5個(gè)像素，整個(gè)流道范圍內(nèi)的誤差在1.0個(gè)像素之內(nèi).微流道圖像在實(shí)驗(yàn)中所對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)目大于400，最大相對(duì)不確定度為0.25%.

為準(zhǔn)確測(cè)量微流道三維流動(dòng)，需對(duì)熒光顆粒進(jìn)行三維定位.小直徑示蹤粒子如實(shí)地跟隨并反映流體流動(dòng)，以獲得高空間分辨率圖像，大直徑示蹤粒子會(huì)產(chǎn)生較大的梯度誤差.同時(shí)要求粒子直徑不能太小，因?yàn)榱Ｗ釉叫∈懿祭蔬\(yùn)動(dòng)影響越大，布朗運(yùn)動(dòng)所帶來的相對(duì)誤差為

4結(jié)論采用三維MicroPIV可視化測(cè)量技術(shù)，獲得微通道氣液柱塞流實(shí)驗(yàn)圖像，通過圖像處理分析獲得頭部區(qū)域流場(chǎng)，得到以下結(jié)論：

（1） 遠(yuǎn)離氣柱頭部的區(qū)域，流場(chǎng)為層流，與單相流有類似的拋物線速度分布，即流道中心區(qū)域速度大，兩邊?。?/p>

（2） 無論微流道中心區(qū)域還是靠近流道頂部或者底部區(qū)域，甚至貼近壁面區(qū)域，液體速度均比氣柱速度大；

（3） 在氣液界面和壁面之間的流體，運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，有可能是流向氣液界面、流向壁面，也可能在局部產(chǎn)生回流；

（4） 氣柱頭部附近區(qū)域，液體沿著氣液界面流動(dòng)，形成兩個(gè)以流道中心為軸呈對(duì)稱分布且反向的漩渦，增加了徑向的流體動(dòng)量混合；

（5） 氣液界面近似為剛性，氣泡在運(yùn)動(dòng)中幾乎不變形，但在較大的液體剪切力作用下可以運(yùn)動(dòng)變形.

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（中文編輯：秦瑜英文編輯：蘭俊思）