微通道中空泡動力學(xué)特性與壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)的協(xié)同研究一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，微通道技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如微流控芯片、微機電系統(tǒng)（MEMS）、微尺度熱交換器以及生物醫(yī)學(xué)工程等。微通道通常指的是通道尺寸在微米至毫米量級的流動通道，在這樣的微尺度空間內(nèi)，流體的流動特性和傳熱傳質(zhì)過程與宏觀尺度下有著顯著的差異。其獨特的優(yōu)勢在于能夠提供極大的比表面積，從而顯著增強傳質(zhì)和傳熱效率，為實現(xiàn)高效的化學(xué)反應(yīng)、精確的生物分析以及緊湊的熱管理系統(tǒng)等提供了可能。在微通道內(nèi)的多相流動中，空泡的動力學(xué)特性扮演著至關(guān)重要的角色?？张菔侵冈谝后w中存在的氣體或蒸汽區(qū)域，其生成、生長、運動和破裂等過程不僅會對微通道內(nèi)的流體流動形態(tài)產(chǎn)生影響，還會顯著改變傳熱和傳質(zhì)的效率。在微尺度熱交換器中，空泡的存在可能會增強傳熱效果，但同時也可能引發(fā)諸如流動不穩(wěn)定、壓力波動等問題，進而影響設(shè)備的正常運行和性能。在微流控芯片用于生物分析時，空泡的動力學(xué)行為可能會干擾樣品的傳輸和反應(yīng)過程，導(dǎo)致分析結(jié)果的不準確。因此，深入研究微通道中空泡的動力學(xué)特性，對于優(yōu)化微通道系統(tǒng)的設(shè)計和運行，提高其性能和可靠性具有重要的理論和實際意義。壁面潤濕性是影響微通道內(nèi)流體行為的另一個關(guān)鍵因素。潤濕性是指液體在固體表面的附著和鋪展能力，通常用接觸角來衡量。壁面潤濕性的不同會導(dǎo)致液體在微通道壁面的接觸狀態(tài)發(fā)生變化，進而影響流體的流動阻力、邊界層特性以及相間傳質(zhì)等過程。在超疏水壁面上，液體與壁面的接觸角較大，液體傾向于在壁面上形成球狀，從而減小了液體與壁面的接觸面積，降低了流動阻力，并且可能抑制空泡在壁面上的附著和生長。相反，在超親水壁面上，液體與壁面的接觸角較小，液體能夠較好地在壁面上鋪展，這可能有利于某些需要增強傳質(zhì)的過程，但也可能導(dǎo)致空泡更容易在壁面上產(chǎn)生和積聚。通過對微通道壁面潤濕性進行調(diào)控，可以實現(xiàn)對微通道內(nèi)流體流動和傳熱傳質(zhì)過程的有效控制，拓展微通道在不同領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。對微通道中空泡動力學(xué)特性及壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)的研究，有助于揭示微尺度下多相流的復(fù)雜物理現(xiàn)象和內(nèi)在規(guī)律，為微通道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)。這不僅能夠推動微流控技術(shù)、微機電系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，還將在能源、化工、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多個重要領(lǐng)域產(chǎn)生積極的影響，具有重要的科學(xué)研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在微通道中空泡動力學(xué)特性的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列成果。早期的研究主要聚焦于空泡的生成機制。通氣空泡的生成多通過在微通道中引入氣體實現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)氣體流量、液體流速以及通道結(jié)構(gòu)等因素對空泡的初始形成有著關(guān)鍵影響。激光空泡則是利用高能量激光脈沖作用于液體，使液體局部瞬間氣化而產(chǎn)生空泡，相關(guān)研究深入探討了激光能量、脈沖寬度以及液體性質(zhì)與空泡初始特性的關(guān)聯(lián)。隨著研究的深入，空泡的生長、運動和破裂過程逐漸成為研究重點。學(xué)者們通過實驗觀察和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，空泡在生長過程中會受到周圍流體的粘性力、表面張力以及壓力梯度等多種力的作用，這些力的綜合影響決定了空泡的生長速率和形態(tài)變化。在空泡運動方面，微通道的構(gòu)型以及流體的流動狀態(tài)對空泡的運動軌跡和速度有著顯著影響。例如，在T型通道中，空泡的運動方向會受到主通道和支通道流速比的影響；而在Y型通道中，空泡的生成和運動則與通道的夾角密切相關(guān)。對于空泡的破裂過程，研究表明，當(dāng)空泡周圍的壓力場發(fā)生劇烈變化時，空泡會迅速收縮并破裂，這一過程會產(chǎn)生強烈的沖擊波和微射流，對微通道壁面造成潛在的損傷。在微通道構(gòu)型對空泡動力學(xué)特性影響的研究中，不同構(gòu)型的微通道展現(xiàn)出獨特的作用。T型通道由于其結(jié)構(gòu)簡單，成為了研究空泡動力學(xué)特性的常用模型。研究發(fā)現(xiàn)，在T型通道中，氣液兩相的交匯方式會影響空泡的生成頻率和大小，當(dāng)氣體和液體以垂直方向交匯時，空泡的生成較為穩(wěn)定，且尺寸分布相對集中。Y型通道的研究重點則在于其角度對空泡行為的影響，較小的入口角度有利于空泡的合并，而較大的入口角度則會促進空泡的分散，從而影響氣液兩相的混合效果。文丘里管型通道利用其特殊的收縮-擴張結(jié)構(gòu)，能夠改變流體的流速和壓力分布，進而對空泡的動力學(xué)特性產(chǎn)生影響。在收縮段，流體流速增加，壓力降低，有利于空泡的生成和生長；而在擴張段，流速減小，壓力升高，空泡則可能發(fā)生破裂或合并。關(guān)于微通道壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響，眾多研究表明，壁面潤濕性的改變會顯著影響空泡與壁面的相互作用。超疏水壁面由于其低表面能特性，能夠有效抑制空泡在壁面上的附著，使空泡更容易脫離壁面，從而減少了空泡在壁面上的積聚，降低了對壁面的腐蝕風(fēng)險。同時，超疏水壁面還可以改變空泡周圍的流場分布，影響空泡的運動軌跡和破裂方式。相反，超親水壁面會增強空泡與壁面的附著力，導(dǎo)致空泡在壁面上停留時間延長，這在某些需要增強傳質(zhì)的過程中可能是有利的，但也可能引發(fā)空泡的積聚和堵塞問題。研究還發(fā)現(xiàn)，壁面潤濕性對空泡的動態(tài)接觸角有著重要影響，動態(tài)接觸角的變化會進一步影響空泡的生長、運動和破裂過程。在壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)方面，超疏水表面的理論模型為表面設(shè)計提供了重要指導(dǎo)。經(jīng)典的Wenzel模型和Cassie-Baxter模型描述了液體在粗糙表面的潤濕狀態(tài)，Wenzel模型認為液體完全填充表面的粗糙凹槽，接觸角的大小與表面粗糙度有關(guān)；而Cassie-Baxter模型則假設(shè)液體在粗糙表面形成氣-液復(fù)合界面，接觸角會增大?；谶@些理論模型，研究人員開發(fā)了多種表面潤濕性調(diào)控技術(shù)。常見的制備超疏水表面的方法包括化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠法、電化學(xué)沉積等?；瘜W(xué)氣相沉積可以在材料表面沉積一層低表面能的物質(zhì)，形成超疏水涂層；溶膠-凝膠法通過將金屬醇鹽等前驅(qū)體在溶液中水解、縮聚，形成溶膠，再將溶膠涂覆在材料表面并經(jīng)過熱處理，得到具有納米級粗糙度的超疏水表面；電化學(xué)沉積則是利用電化學(xué)原理，在電極表面沉積出具有特殊形貌和化學(xué)成分的涂層，從而實現(xiàn)表面潤濕性的調(diào)控。此外，還有一些新興的調(diào)控技術(shù)，如利用智能材料對表面潤濕性進行動態(tài)調(diào)控，通過改變外界刺激（如溫度、電場、光照等），實現(xiàn)表面潤濕性的可逆變化。盡管國內(nèi)外在微通道中空泡動力學(xué)特性及壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)方面已取得了一定進展，但仍存在一些不足和空白。在空泡動力學(xué)特性研究中，對于復(fù)雜工況下多空泡相互作用的研究還不夠深入，例如在高濃度空泡流中，空泡之間的碰撞、融合和破碎過程及其對整體流動和傳熱的影響機制尚未完全明確。在微通道構(gòu)型與空泡動力學(xué)特性的耦合研究方面，目前主要集中在幾種典型的簡單構(gòu)型，對于復(fù)雜三維微通道結(jié)構(gòu)以及具有梯度變化的微通道對空泡行為的影響研究較少。在壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)方面，現(xiàn)有的調(diào)控方法大多存在制備工藝復(fù)雜、成本高、穩(wěn)定性差等問題，難以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。此外，對于潤濕性可調(diào)控表面在實際微通道系統(tǒng)中的長期穩(wěn)定性和可靠性研究也相對匱乏，這限制了其在實際工程中的廣泛應(yīng)用。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究微通道中空泡動力學(xué)特性及壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)，具體研究內(nèi)容如下：微通道中空泡動力學(xué)特性研究：系統(tǒng)研究微通道中空泡的生成、生長、運動和破裂等動力學(xué)特性。采用多種實驗方法，如高速攝影技術(shù)，對空泡在不同工況下的行為進行可視化觀測，詳細記錄空泡的形態(tài)變化、運動軌跡以及生成頻率等參數(shù)。通過改變液體的流速、氣體的流量以及微通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如通道尺寸、形狀等），分析這些因素對空泡動力學(xué)特性的影響規(guī)律。同時，運用數(shù)值模擬方法，建立考慮空泡與周圍流體相互作用的數(shù)學(xué)模型，對空泡動力學(xué)過程進行模擬計算，深入揭示空泡在微通道內(nèi)的動力學(xué)機制。微通道構(gòu)型對空泡動力學(xué)特性的影響研究：針對不同構(gòu)型的微通道，如T型、Y型和文丘里管型等，研究其對空泡動力學(xué)特性的影響。通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，分析不同構(gòu)型微通道內(nèi)的流場分布、壓力分布以及空泡的生成、運動和破裂過程。探究微通道的幾何參數(shù)（如通道夾角、收縮比等）與空泡動力學(xué)特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和關(guān)聯(lián)式，為微通道的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。微通道壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響研究：制備具有不同潤濕性的微通道壁面，包括超疏水、疏水、親水和超親水壁面，研究壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響。通過實驗測量不同潤濕性壁面上空泡的動態(tài)接觸角、附著時間以及空泡與壁面之間的相互作用力等參數(shù)，分析壁面潤濕性對空泡在壁面上的附著、生長和脫離過程的影響機制。運用分子動力學(xué)模擬等方法，從微觀層面研究壁面潤濕性與空泡動力學(xué)特性之間的相互作用機理，為微通道內(nèi)多相流的調(diào)控提供新的思路。微通道壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)研究：基于超疏水表面的理論模型，開發(fā)新型的微通道壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)。探索采用多種材料和制備方法，如化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠法、電化學(xué)沉積以及光刻技術(shù)等，制備具有特殊微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的壁面，實現(xiàn)對壁面潤濕性的精確調(diào)控。研究不同制備工藝參數(shù)對壁面潤濕性的影響規(guī)律，優(yōu)化制備工藝，提高壁面潤濕性調(diào)控的效果和穩(wěn)定性。此外，還將探索利用智能材料實現(xiàn)壁面潤濕性的動態(tài)調(diào)控，通過改變外界刺激（如溫度、電場、光照等），實現(xiàn)壁面潤濕性的可逆變化，拓展微通道在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。潤濕性可調(diào)控表面在微通道中的應(yīng)用研究：將制備的潤濕性可調(diào)控表面應(yīng)用于實際的微通道系統(tǒng)中，研究其在微通道內(nèi)多相流控制、傳熱傳質(zhì)強化以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用效果。通過實驗和數(shù)值模擬，分析潤濕性可調(diào)控表面對微通道內(nèi)流體流動形態(tài)、傳熱效率、傳質(zhì)速率以及生物分子吸附等過程的影響。探索潤濕性可調(diào)控表面在微通道中的最佳應(yīng)用條件和工作模式，為其實際工程應(yīng)用提供技術(shù)支持和實踐經(jīng)驗。1.3.2研究方法本研究綜合運用實驗研究、數(shù)值模擬和理論分析等方法，深入探究微通道中空泡動力學(xué)特性及壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)。實驗研究：搭建微通道實驗平臺，包括微通道制作、流體輸送系統(tǒng)、可視化觀測系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。采用微加工技術(shù)制作不同構(gòu)型和尺寸的微通道，利用高精度注射泵和氣體質(zhì)量流量計精確控制流體的流量和流速。通過高速攝像機和顯微鏡對微通道內(nèi)的空泡行為和流體流動形態(tài)進行可視化觀測，記錄相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。同時，運用表面接觸角測量儀等設(shè)備測量微通道壁面的潤濕性，研究壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響。此外，還將進行相關(guān)的對比實驗，驗證研究結(jié)果的可靠性和準確性。數(shù)值模擬：運用計算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，建立微通道內(nèi)多相流的數(shù)學(xué)模型，對空泡動力學(xué)特性和壁面潤濕性調(diào)控進行數(shù)值模擬。在模型中考慮空泡與周圍流體的相互作用、表面張力、粘性力以及壁面邊界條件等因素，通過求解Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程，模擬空泡在微通道內(nèi)的生成、生長、運動和破裂過程，以及壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響。利用數(shù)值模擬方法可以深入分析復(fù)雜的物理現(xiàn)象，揭示其內(nèi)在的物理機制，同時還可以對實驗結(jié)果進行驗證和補充，為實驗研究提供理論指導(dǎo)。理論分析：基于流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)以及表面物理化學(xué)等相關(guān)理論，對實驗和數(shù)值模擬結(jié)果進行深入分析。建立空泡動力學(xué)特性和壁面潤濕性調(diào)控的理論模型，推導(dǎo)相關(guān)的數(shù)學(xué)公式和關(guān)聯(lián)式，揭示空泡在微通道內(nèi)的動力學(xué)規(guī)律以及壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響機制。通過理論分析，可以對實驗和數(shù)值模擬結(jié)果進行解釋和預(yù)測，為微通道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。二、微通道中空泡動力學(xué)特性基礎(chǔ)理論2.1空泡的形成與發(fā)展機制空泡在微通道中的形成與發(fā)展是一個復(fù)雜的物理過程，涉及到多種物理因素的相互作用。其形成主要源于微通道內(nèi)壓力、溫度等條件的變化，當(dāng)這些條件滿足特定的熱力學(xué)和流體力學(xué)準則時，空泡便會產(chǎn)生。從熱力學(xué)角度來看，空泡的形成與液體的汽化密切相關(guān)。在一定溫度下，液體具有對應(yīng)的飽和蒸汽壓。當(dāng)微通道內(nèi)局部壓力降至該溫度下液體的飽和蒸汽壓以下時，液體分子獲得足夠的能量克服分子間的作用力，開始汽化形成微小的蒸汽核，這便是空泡的初始形態(tài)。這種由于壓力降低導(dǎo)致液體汽化而形成空泡的現(xiàn)象，在許多微通道應(yīng)用場景中都較為常見。在微尺度熱交換器中，當(dāng)流體流速突然變化或通道局部存在收縮等情況時，可能會引發(fā)壓力的急劇下降，從而滿足空泡形成的壓力條件。從流體力學(xué)角度分析，微通道內(nèi)的流場特性對空泡形成有著重要影響。在微通道中，由于通道尺寸較小，粘性力和表面張力的作用相對顯著。當(dāng)流體流經(jīng)微通道時，壁面的摩擦阻力會導(dǎo)致流體速度分布不均勻，在某些區(qū)域可能會出現(xiàn)低速區(qū)或回流區(qū)。在這些區(qū)域，流體的壓力相對較低，為液體汽化提供了有利條件。此外，微通道內(nèi)的湍流脈動也可能會引起局部壓力的波動，當(dāng)壓力波動的最小值低于液體的飽和蒸汽壓時，就有可能促使空泡的形成。除了壓力降低導(dǎo)致的汽化空泡形成機制外，還有其他因素也可能引發(fā)空泡的產(chǎn)生。當(dāng)微通道內(nèi)存在氣體源時，如通過微通道壁面上的微孔或外部氣源向通道內(nèi)注入氣體，這些氣體在液體中會形成氣泡，進而發(fā)展為空泡。在一些微流控芯片用于生物反應(yīng)的過程中，為了促進某些化學(xué)反應(yīng)的進行，可能會向微通道內(nèi)通入特定的氣體，這些氣體在液體中分散后形成的氣泡，就可能成為空泡的來源。此外，液體中本身含有的溶解氣體，在壓力降低或溫度升高的情況下，也可能會從液體中逸出，聚集形成空泡。在熱水供熱系統(tǒng)中，由于水溫較高，水中溶解的氣體在壓力變化時容易逸出，形成空泡，進而可能引發(fā)一系列問題，如空泡潰滅水錘等，影響系統(tǒng)的正常運行。空泡在形成后，會經(jīng)歷生長、變形和潰滅等發(fā)展階段，每個階段都受到多種因素的綜合影響。在空泡生長階段，周圍液體的壓力分布、溫度梯度以及液體的粘性和表面張力等因素都起著關(guān)鍵作用。當(dāng)空泡周圍的壓力持續(xù)低于泡內(nèi)蒸汽壓力時，蒸汽會不斷向空泡內(nèi)擴散，導(dǎo)致空泡體積逐漸增大。同時，液體的粘性會對空泡的生長起到一定的阻礙作用，減緩其生長速度。表面張力則會使空泡表面產(chǎn)生收縮趨勢，影響空泡的形狀和生長方式。如果空泡周圍的溫度分布不均勻，存在溫度梯度，那么熱量會從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞，這可能會導(dǎo)致空泡內(nèi)蒸汽的凝結(jié)或蒸發(fā)速率發(fā)生變化，從而影響空泡的生長。在微通道中，由于通道壁面與流體之間存在熱交換，可能會導(dǎo)致靠近壁面的流體溫度與通道中心的流體溫度不同，這種溫度梯度會對空泡的生長產(chǎn)生影響?？张菰谏L過程中還會發(fā)生變形，其變形程度與周圍流場的不均勻性以及空泡自身的動力學(xué)特性密切相關(guān)。當(dāng)微通道內(nèi)的流場存在速度梯度或壓力梯度時，空泡會受到非均勻的作用力，導(dǎo)致其形狀發(fā)生改變。在剪切流場中，空泡會受到剪切力的作用，使其形狀從球形逐漸變?yōu)闄E圓形或不規(guī)則形狀。此外，空泡與周圍其他空泡或固體壁面的相互作用也會導(dǎo)致其變形。當(dāng)兩個空泡相互靠近時，它們之間會產(chǎn)生相互作用力，使得空泡的形狀發(fā)生扭曲，甚至可能發(fā)生合并現(xiàn)象。隨著空泡周圍環(huán)境條件的變化，當(dāng)空泡周圍的壓力升高到足以克服泡內(nèi)蒸汽壓力和表面張力時，空泡會進入潰滅階段?？张轁缡且粋€極其迅速且劇烈的過程，會產(chǎn)生強烈的沖擊波和微射流。在潰滅過程中，空泡周圍的液體以極高的速度向空泡中心匯聚，形成高速微射流，其速度可達數(shù)百米每秒。同時，空泡潰滅瞬間會產(chǎn)生巨大的壓力脈沖，壓力峰值可高達數(shù)百兆帕甚至更高。這些沖擊波和微射流具有極高的能量，對微通道壁面和周圍流體產(chǎn)生顯著影響。它們可能會對微通道壁面造成損傷，導(dǎo)致壁面材料的疲勞、磨損甚至腐蝕。在微尺度熱交換器中，空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波和微射流可能會使壁面材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低壁面的熱傳遞性能，影響熱交換器的效率和使用壽命。此外，空泡潰滅還會對周圍流體的流動特性產(chǎn)生影響，改變流場的速度分布和壓力分布，進而影響微通道內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)過程。2.2影響空泡動力學(xué)特性的關(guān)鍵因素空泡在微通道內(nèi)的動力學(xué)特性受到多種因素的綜合影響，深入探究這些關(guān)鍵因素對于理解空泡的行為和相關(guān)應(yīng)用具有重要意義。以下將從液體物性、氣泡尺寸以及環(huán)境條件等方面進行詳細闡述。2.2.1液體物性的影響液體的物性參數(shù)，如密度、粘度和表面張力等，對空泡動力學(xué)特性有著顯著的影響。液體密度直接關(guān)系到空泡周圍液體的慣性力。當(dāng)空泡發(fā)生生長或潰滅時，周圍液體需要對空泡的體積變化做出響應(yīng)。較高的液體密度意味著更大的慣性力，這會使得空泡的生長和潰滅過程受到更大的阻礙。在密度較大的液體中，空泡潰滅時，周圍液體向空泡中心匯聚的速度會相對較慢，因為液體需要克服更大的慣性力。這將導(dǎo)致空泡潰滅的時間延長，潰滅產(chǎn)生的能量釋放相對較為緩和，從而影響潰滅壓力和溫度的峰值。液體粘度主要影響空泡與周圍液體之間的粘性摩擦力。粘性摩擦力會阻礙空泡的運動和變形，同時也會消耗空泡生長和潰滅過程中的能量。當(dāng)液體粘度增加時，空泡在液體中運動時受到的阻力增大，其運動速度會降低，運動軌跡也可能變得更加曲折。在空泡生長過程中，粘性力會減緩蒸汽向空泡內(nèi)的擴散速度，抑制空泡的生長速率。而在空泡潰滅階段，粘性力會使得周圍液體對空泡的擠壓作用減弱，導(dǎo)致潰滅速度減慢，潰滅壓力降低。在高粘度的硅油中，空泡的生長和潰滅過程都比在低粘度的水中要緩慢得多，潰滅壓力也相對較低。表面張力是液體表面分子間相互作用力的體現(xiàn)，它對空泡的形狀和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。表面張力傾向于使空泡保持最小的表面積，即球形。當(dāng)空泡受到外部擾動時，表面張力會產(chǎn)生恢復(fù)力，試圖使空泡恢復(fù)到球形狀態(tài)。表面張力還會影響空泡的生成和合并過程。較小的表面張力使得空泡更容易生成，因為液體分子克服表面張力形成氣核所需的能量較低。而在空泡合并過程中，表面張力會影響空泡之間的相互作用力，較大的表面張力可能會阻礙空泡的合并，使空泡更傾向于保持獨立狀態(tài)。向液體中添加表面活性劑可以降低表面張力，從而促進空泡的生成和合并，改變空泡的動力學(xué)特性。2.2.2氣泡尺寸的影響氣泡尺寸是影響空泡動力學(xué)特性的另一個重要因素，不同尺寸的氣泡在微通道內(nèi)的行為表現(xiàn)出明顯的差異。初始氣泡尺寸對空泡的生長和潰滅過程有著決定性的影響。較大的初始氣泡具有更大的體積和內(nèi)部能量，在相同的環(huán)境條件下，它們能夠儲存更多的蒸汽和氣體。這使得大尺寸氣泡在生長階段能夠吸收更多的蒸汽，生長速度相對較快，最終達到的體積也更大。在潰滅時，大尺寸氣泡由于內(nèi)部儲存的能量較多，潰滅過程更為劇烈，產(chǎn)生的潰滅壓力和溫度峰值更高。相比之下，較小的初始氣泡在生長和潰滅過程中則表現(xiàn)出相對較弱的動力學(xué)特性。小尺寸氣泡的生長速度較慢，因為其表面積與體積之比較大，蒸汽擴散進入氣泡的速率受到限制。在潰滅時，小尺寸氣泡釋放的能量較少，潰滅壓力和溫度相對較低。在微通道內(nèi)，通過控制氣體注入的方式可以調(diào)節(jié)初始氣泡的尺寸，進而研究其對空泡動力學(xué)特性的影響。當(dāng)采用微小孔徑的氣體噴嘴注入氣體時，可以產(chǎn)生較小尺寸的氣泡，觀察到空泡的生長和潰滅過程相對較為平緩；而使用較大孔徑的噴嘴則會產(chǎn)生較大尺寸的氣泡，空泡的動力學(xué)行為更加劇烈。氣泡尺寸分布的均勻性也會對空泡動力學(xué)特性產(chǎn)生影響。在多氣泡體系中，如果氣泡尺寸分布較為均勻，空泡之間的相互作用相對較為規(guī)則，有利于形成穩(wěn)定的流場。在這種情況下，空泡的生長、運動和潰滅過程可能會呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，便于進行理論分析和數(shù)值模擬。相反，如果氣泡尺寸分布不均勻，大小氣泡之間的相互作用會變得復(fù)雜多樣。大氣泡在運動過程中可能會吞并小氣泡，導(dǎo)致氣泡尺寸的進一步變化和流場的不穩(wěn)定。這種不均勻的氣泡尺寸分布還可能引發(fā)空泡之間的相互干擾，使得空泡的潰滅過程變得更加難以預(yù)測，對微通道內(nèi)的流體流動和傳熱傳質(zhì)過程產(chǎn)生不利影響。在微通道內(nèi)氣液兩相流實驗中，通過調(diào)整氣體和液體的流量比以及微通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以改變氣泡尺寸分布的均勻性，研究其對空泡動力學(xué)特性的影響規(guī)律。當(dāng)氣體流量相對較大時，可能會產(chǎn)生較多的小氣泡，導(dǎo)致氣泡尺寸分布不均勻，從而觀察到空泡動力學(xué)特性的顯著變化。2.2.3環(huán)境條件的影響環(huán)境條件，如溫度、壓力和流速等，對空泡動力學(xué)特性有著重要的影響，它們可以改變空泡周圍的物理場，進而影響空泡的行為。溫度是影響空泡動力學(xué)特性的關(guān)鍵環(huán)境因素之一。溫度的變化會直接影響液體的飽和蒸汽壓和物理性質(zhì)。隨著溫度的升高，液體的飽和蒸汽壓增大，這意味著在相同的壓力條件下，液體更容易汽化形成空泡。高溫環(huán)境使得空泡的生成更加容易，空泡的數(shù)量可能會增加。溫度還會影響液體的粘度和表面張力，一般來說，溫度升高，液體粘度降低，表面張力也會減小。液體粘度的降低會減小空泡與周圍液體之間的粘性阻力，有利于空泡的運動和變形；表面張力的減小則會使空泡更容易生成和合并，并且在潰滅時產(chǎn)生的能量釋放方式也可能發(fā)生變化。在高溫的微尺度熱交換器中，由于液體溫度較高，空泡的生成和生長過程更為活躍，可能會導(dǎo)致傳熱效率的提高，但同時也可能引發(fā)更嚴重的空泡潰滅問題，對設(shè)備造成潛在的損壞。壓力是另一個重要的環(huán)境因素，它對空泡的生成、生長和潰滅過程起著決定性的作用。當(dāng)微通道內(nèi)的局部壓力低于液體的飽和蒸汽壓時，空泡會開始生成。壓力的降低程度越大，空泡生成的驅(qū)動力就越大，空泡的生成速率也會相應(yīng)增加。在空泡生長階段，周圍壓力的變化會影響空泡內(nèi)外的壓力差，從而決定蒸汽向空泡內(nèi)的擴散速率和空泡的生長速度。如果周圍壓力持續(xù)降低，空泡會不斷吸收蒸汽而生長；反之，當(dāng)周圍壓力升高時，空泡會受到壓縮，可能會發(fā)生潰滅。在空泡潰滅過程中，周圍壓力的大小直接決定了潰滅的劇烈程度。較高的周圍壓力會使得空泡潰滅時周圍液體向空泡中心的匯聚速度更快，產(chǎn)生更高的潰滅壓力和溫度。在微通道的收縮段，由于流體流速增加，壓力降低，容易引發(fā)空泡的生成和生長；而在擴張段，壓力升高，空泡則可能發(fā)生潰滅。流速對空泡動力學(xué)特性的影響主要體現(xiàn)在流場的變化和空泡與周圍流體的相互作用上。微通道內(nèi)的流速分布會影響空泡的運動軌跡和受力情況。在高速流動的流體中，空泡會受到較大的拖曳力，使其運動速度加快，并且可能會被流體攜帶而發(fā)生位移。流速的變化還會導(dǎo)致流場的不穩(wěn)定，產(chǎn)生湍流脈動等現(xiàn)象，這會進一步影響空泡的動力學(xué)特性。湍流脈動會增加空泡與周圍流體之間的能量交換，使得空泡的生長和潰滅過程更加復(fù)雜。流速還會影響空泡之間的相互作用。在高流速下，空泡之間的碰撞頻率會增加，可能會導(dǎo)致空泡的合并或破碎，從而改變空泡的尺寸分布和動力學(xué)行為。在微通道內(nèi)的氣液兩相流實驗中，通過調(diào)節(jié)液體和氣體的流速，可以觀察到空泡的運動軌跡、生長速率和潰滅特性等隨著流速的變化而發(fā)生顯著改變。二、微通道中空泡動力學(xué)特性基礎(chǔ)理論2.3典型微通道構(gòu)型下的空泡動力學(xué)特性2.3.1T型微通道T型微通道作為一種結(jié)構(gòu)相對簡單且廣泛應(yīng)用的微通道構(gòu)型，在微流控領(lǐng)域中常被用于研究空泡的動力學(xué)特性。其獨特的結(jié)構(gòu)使得氣液兩相在交匯時呈現(xiàn)出豐富的流動現(xiàn)象，對空泡的產(chǎn)生、生長、運動和破裂過程產(chǎn)生顯著影響。在T型微通道中，空泡的產(chǎn)生方式主要有兩種：通氣空泡和基于液體自身特性變化產(chǎn)生的空泡。通氣空泡是通過在微通道的一側(cè)引入氣體，氣體在與液體交匯時，由于表面張力和流體動力的作用，被分割成一個個微小的氣泡，進而發(fā)展為空泡。當(dāng)氣體流量較小時，氣泡在液體的拖拽作用下，能夠較為穩(wěn)定地在通道內(nèi)移動，此時空泡的大小相對均勻，生成周期也較為穩(wěn)定。隨著氣體流量的增加，氣泡之間的相互作用增強，可能會發(fā)生合并現(xiàn)象，導(dǎo)致空泡的尺寸增大，生成周期也會相應(yīng)地發(fā)生變化?；谝后w自身特性變化產(chǎn)生的空泡，通常是由于微通道內(nèi)局部壓力的變化，當(dāng)壓力降至液體的飽和蒸汽壓以下時，液體汽化形成空泡。在T型微通道的拐角處，由于流體的流速和壓力分布不均勻，容易出現(xiàn)壓力降低的區(qū)域，從而促使空泡的產(chǎn)生?？张莸拇笮『蜕芍芷谑呛饬科鋭恿W(xué)特性的重要參數(shù)?？张莸拇笮≈饕艿綒怏w流量、液體流速以及微通道尺寸等因素的影響。隨著氣體流量的增加，進入微通道的氣體量增多，在相同的液體流速和通道尺寸條件下，空泡的體積會逐漸增大。液體流速的增加會增強對氣泡的剪切作用，使得氣泡更容易被分割成較小的空泡。微通道的尺寸對空泡大小也有顯著影響，較小的通道尺寸會限制空泡的生長，使得空泡的尺寸相對較小。空泡的生成周期則與氣液兩相的流量比、通道內(nèi)的流場分布以及空泡與壁面的相互作用等因素密切相關(guān)。當(dāng)氣液流量比較小時，空泡的生成周期較長，因為氣體需要較長時間才能在液體中積累并形成足夠大小的氣泡。隨著氣液流量比的增加，空泡的生成頻率提高，生成周期縮短。通道內(nèi)的流場分布不均勻會導(dǎo)致空泡在不同位置的生成時間和生長速度不同，從而影響生成周期的穩(wěn)定性?？张菖c壁面的相互作用也會改變空泡的生成周期，如果空泡在壁面上附著時間較長，會延遲下一個空泡的生成。氣液兩相在T型微通道內(nèi)的流型分布呈現(xiàn)出多樣化的特征，常見的流型包括泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流等。泡狀流是在氣液流量比較小的情況下出現(xiàn)的，此時氣體以微小氣泡的形式均勻分散在液體中，氣泡之間相互作用較弱，液體占據(jù)主導(dǎo)地位，流場相對穩(wěn)定。隨著氣液流量比的增加，氣泡逐漸長大并開始聚集，形成彈狀流。在彈狀流中，氣泡呈子彈狀分布在液體中，氣泡與液體之間存在明顯的界面，液體在壁面附近流動，而氣泡則在通道中心區(qū)域運動。彈狀流的出現(xiàn)使得氣液兩相的混合效果增強，傳質(zhì)和傳熱效率也有所提高。當(dāng)氣液流量比進一步增大時，會形成環(huán)狀流。在環(huán)狀流中，液體在壁面形成一層連續(xù)的液膜，氣體則在通道中心形成核心區(qū)域，氣液之間的界面面積增大，傳質(zhì)和傳熱過程得到進一步強化。不同的流型分布對空泡的動力學(xué)特性有著不同的影響，泡狀流中的空泡相對較小且穩(wěn)定，而彈狀流和環(huán)狀流中的空泡則更容易發(fā)生合并和破裂等現(xiàn)象。2.3.2Y型微通道Y型微通道由于其獨特的結(jié)構(gòu)，在微流控系統(tǒng)中展現(xiàn)出與其他構(gòu)型微通道不同的氣液兩相流動特性，對空泡動力學(xué)特性的影響也較為復(fù)雜。Y型微通道分為對稱和非對稱兩種類型，其入口角度等幾何參數(shù)的變化會顯著改變通道內(nèi)的流場分布，進而影響空泡的流型、大小和生成周期。在對稱Y型微通道中，兩個入口的幾何參數(shù)和流動條件相同，氣液兩相從兩個入口流入后在交匯點處混合。入口角度對空泡流型有著重要影響。當(dāng)入口角度較小時，氣液兩相的交匯較為平緩，氣體更容易在液體中分散形成均勻的小氣泡，從而傾向于形成泡狀流。在這種流型下，空泡尺寸相對較小且分布較為均勻，空泡的生成周期也相對穩(wěn)定，因為小氣泡的形成和生長過程相對較為規(guī)律。隨著入口角度的增大，氣液兩相的交匯變得更加劇烈，氣泡之間的碰撞和合并機會增加，容易形成彈狀流或團狀流。在彈狀流中，空泡尺寸較大，呈子彈狀分布在液體中，空泡的生成周期會隨著氣液流量比的變化而發(fā)生改變。當(dāng)氣液流量比較大時，彈狀流中的空泡生成頻率較高，生成周期較短；而當(dāng)氣液流量比較小時，空泡生成頻率降低，生成周期延長。團狀流則是在彈狀流的基礎(chǔ)上，由于氣體尾部的不穩(wěn)定，導(dǎo)致部分氣體破裂成細碎的氣泡，并與彈狀氣體混合形成的，此時空泡的分布和生成周期更加復(fù)雜，受到氣液流量比、入口角度以及通道內(nèi)流場波動等多種因素的影響。非對稱Y型微通道的兩個入口在幾何參數(shù)或流動條件上存在差異，這進一步增加了通道內(nèi)流場的復(fù)雜性。入口角度的不對稱會導(dǎo)致氣液兩相在交匯時的動量分布不均勻，使得空泡的流型和大小分布更加不規(guī)則。較小入口角度一側(cè)的氣液混合相對較弱，可能會形成較小尺寸的空泡，且空泡的分布較為稀疏；而較大入口角度一側(cè)的氣液混合較為劇烈，容易產(chǎn)生較大尺寸的空泡，且空泡的分布相對密集。這種不對稱性還會影響空泡的生成周期，使得不同位置的空泡生成時間和頻率存在差異。流量的不對稱也會對空泡動力學(xué)特性產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)一個入口的流量遠大于另一個入口時，流量較大一側(cè)的流體對空泡的拖拽作用更強，可能會使空泡的運動速度加快，同時也會改變空泡的生長和破裂過程。流量較大一側(cè)的空泡可能會受到更強的剪切力，導(dǎo)致空泡更容易破裂成較小的氣泡，從而影響空泡的尺寸分布和生成周期。除了入口角度和流量不對稱外，微通道的其他幾何參數(shù)，如通道的寬度和深度，也會對空泡動力學(xué)特性產(chǎn)生影響。較窄的通道會增加流體的流速和剪切力，使得空泡更容易被破碎成較小的尺寸；而較深的通道則可能會改變流場的三維結(jié)構(gòu)，影響空泡在通道內(nèi)的運動軌跡和分布。壁面潤濕性也是影響Y型微通道中空泡動力學(xué)特性的重要因素之一。超疏水壁面會減小液體與壁面的附著力，使得空泡更容易在壁面上滑動和脫離，從而改變空泡的運動特性和與壁面的相互作用方式。相反，超親水壁面會增強液體與壁面的附著力，可能會導(dǎo)致空泡在壁面上停留時間延長，影響空泡的生成和破裂過程。2.3.3文丘里管型微通道文丘里管型微通道具有獨特的收縮-擴張結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得通道內(nèi)的流體流速和壓力分布發(fā)生顯著變化，進而對空泡的動力學(xué)特性產(chǎn)生復(fù)雜而重要的影響。在文丘里管型微通道內(nèi)，空泡的表面張力、尺寸、形態(tài)以及運動軌跡和速度等特性與通道的幾何參數(shù)、流體的物理性質(zhì)以及流動條件密切相關(guān)?？张莸谋砻鎻埩υ谖那鹄锕苄臀⑼ǖ纼?nèi)起著關(guān)鍵作用。表面張力是液體表面分子間相互作用力的體現(xiàn)，它傾向于使空泡保持最小的表面積，即球形。在文丘里管的收縮段，流體流速增加，壓力降低，當(dāng)壓力降至液體的飽和蒸汽壓以下時，空泡開始生成。此時，表面張力會影響空泡的初始形成和生長過程。較小的表面張力使得空泡更容易生成，因為液體分子克服表面張力形成氣核所需的能量較低。在空泡生長過程中，表面張力會與周圍流體的壓力和粘性力相互作用，影響空泡的形狀和生長速率。如果表面張力較大，空泡在生長時會受到更強的收縮力，使其生長速度相對較慢，且形狀更傾向于保持球形；而較小的表面張力則會使空泡更容易變形，在周圍流體的作用下可能會呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀?？张莸某叽绾托螒B(tài)在文丘里管型微通道內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。在收縮段，由于壓力降低，空泡生成后會迅速生長，尺寸逐漸增大。此時，空泡的形態(tài)可能會受到流體剪切力的影響，從初始的球形逐漸變?yōu)闄E圓形或不規(guī)則形狀。隨著空泡進入擴張段，流體流速減小，壓力升高，空泡會受到壓縮，尺寸逐漸減小。在這個過程中，空泡可能會發(fā)生破裂或合并現(xiàn)象。如果空泡周圍的壓力變化較為劇烈，空泡可能會迅速破裂，釋放出內(nèi)部的氣體和蒸汽；而當(dāng)多個空泡相互靠近時，它們可能會在壓力和表面張力的作用下發(fā)生合并，形成更大尺寸的空泡?？张莸某叽绾托螒B(tài)還與流體的物理性質(zhì)有關(guān)，如液體的粘度和密度等。較高的液體粘度會增加空泡與周圍流體之間的粘性阻力，減緩空泡的生長和運動速度，從而影響空泡的尺寸和形態(tài)；較大的液體密度則會使空泡受到更大的浮力和慣性力，同樣會對空泡的行為產(chǎn)生影響?？张菰谖那鹄锕苄臀⑼ǖ纼?nèi)的運動軌跡和速度也受到多種因素的影響。在收縮段，由于流體流速增加，空泡會受到較大的拖曳力，使其運動速度加快，且運動軌跡通常沿著流體的流線方向。然而，由于空泡與周圍流體之間存在密度差，空泡還會受到浮力的作用，這可能會導(dǎo)致空泡的運動軌跡發(fā)生偏離。在擴張段，流體流速減小，空泡的運動速度也會相應(yīng)降低。此時，空泡可能會受到壓力梯度和粘性力的作用，使其運動軌跡變得更加復(fù)雜。如果擴張段的壓力分布不均勻，空泡可能會向壓力較低的區(qū)域移動；而粘性力則會對空泡的運動產(chǎn)生阻礙作用，使空泡的運動速度逐漸減小?？张菖c壁面的相互作用也會影響其運動軌跡和速度。當(dāng)空泡靠近壁面時，會受到壁面的摩擦力和附著力的作用，這可能會改變空泡的運動方向和速度，甚至導(dǎo)致空泡在壁面上附著或破裂。三、壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)原理與方法3.1潤濕性基本理論潤濕性是描述液體與固體表面相互作用的重要概念，它反映了液體在固體表面的附著和鋪展能力，在眾多領(lǐng)域，如微流控技術(shù)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等，都具有至關(guān)重要的意義。從微觀層面來看，潤濕性本質(zhì)上是由液體分子與固體表面分子之間的相互作用力決定的。當(dāng)液體分子與固體表面分子之間的吸引力大于液體分子之間的內(nèi)聚力時，液體傾向于在固體表面鋪展，表現(xiàn)出良好的潤濕性；反之，當(dāng)液體分子之間的內(nèi)聚力大于其與固體表面分子的吸引力時，液體則難以在固體表面鋪展，潤濕性較差。接觸角是衡量潤濕性的關(guān)鍵指標(biāo)，它是在氣、液、固三相交點處，自固-液界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣-液界面的夾角，通常用\theta表示。接觸角的大小直觀地反映了液體對固體表面的潤濕程度，與潤濕性之間存在著明確的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)\theta=0^{\circ}時，液體完全潤濕固體表面，能夠在固體表面無限鋪展，形成一層均勻的液膜，此時潤濕性達到最佳狀態(tài)；當(dāng)0^{\circ}<\theta<90^{\circ}時，液體可較好地潤濕固體表面，隨著接觸角的減小，潤濕性逐漸增強；當(dāng)\theta=90^{\circ}時，這是一個重要的分界點，被視為潤濕與否的分界線；當(dāng)90^{\circ}<\theta<180^{\circ}時，液體不能很好地潤濕固體表面，潤濕性較差，且隨著接觸角的增大，潤濕性進一步降低；當(dāng)\theta=180^{\circ}時，液體完全不潤濕固體表面，在固體表面凝聚成球狀，潤濕性最差。在實際應(yīng)用中，接觸角的測量對于研究潤濕性至關(guān)重要。目前，常用的接觸角測量方法主要有影像分析法和力測量法。影像分析法是將液滴滴于固體樣品表面，通過顯微鏡頭與相機獲取液滴的外形圖像，再運用數(shù)字圖像處理和特定的算法，基于Young-Laplace方程，將圖像中的液滴接觸角計算出來。該方程描述了封閉界面的內(nèi)、外壓力差與界面的曲率和界面張力的關(guān)系，能夠準確地描述軸對稱液滴的外形輪廓，從而為接觸角的計算提供了理論依據(jù)。力測量法，有時也稱為Tensiometry，即使用表面張力測量方法測試接觸角值，通過測量液體與固體表面接觸時的力的變化，來間接確定接觸角的大小。這兩種方法各有優(yōu)缺點，影像分析法操作簡便、直觀，能夠直接獲取液滴的外形信息，但對圖像處理算法的準確性要求較高；力測量法測量精度較高，但設(shè)備相對復(fù)雜，操作難度較大。超疏水表面是潤濕性研究中的一個重要領(lǐng)域，其理論模型為表面設(shè)計提供了重要的指導(dǎo)。經(jīng)典的Wenzel模型和Cassie-Baxter模型是描述超疏水表面潤濕性的兩個重要理論。Wenzel模型認為，液體完全填充表面的粗糙凹槽，表面粗糙度會影響接觸角的大小。該模型通過引入粗糙因子r（實際固-液接觸面積與表觀固-液面積的比值），建立了表觀接觸角\theta_{W}與本征接觸角\theta_{0}之間的關(guān)系，即\cos\theta_{W}=r\cos\theta_{0}。這表明，當(dāng)本征接觸角\theta_{0}<90^{\circ}時，表面粗糙度的增加會使表觀接觸角減小，從而增強表面的親水性；當(dāng)\theta_{0}>90^{\circ}時，表面粗糙度的增加會使表觀接觸角增大，增強表面的疏水性。Wenzel模型較好地解釋了表面粗糙度對潤濕性的影響，為超疏水表面的設(shè)計提供了一種思路，即通過增加表面粗糙度來提高表面的疏水性。Cassie-Baxter模型則假設(shè)液體在粗糙表面形成氣-液復(fù)合界面，空氣被截留于固體表面的粗糙結(jié)構(gòu)中，形成一層空氣薄膜。在這種情況下，表觀接觸角\theta_{CB}與本征接觸角\theta_{0}以及固體表面被液體覆蓋的面積分數(shù)f_{1}和被空氣覆蓋的面積分數(shù)f_{2}（f_{1}+f_{2}=1）有關(guān)，其關(guān)系式為\cos\theta_{CB}=f_{1}\cos\theta_{0}-f_{2}。該模型進一步拓展了對超疏水表面潤濕性的理解，說明通過控制表面的微觀結(jié)構(gòu)，使液體與固體表面之間形成氣-液復(fù)合界面，可以顯著增大接觸角，實現(xiàn)超疏水性能。與Wenzel模型不同，Cassie-Baxter模型更強調(diào)表面微觀結(jié)構(gòu)對潤濕性的影響，為超疏水表面的制備提供了另一種重要的理論依據(jù)。Wenzel模型和Cassie-Baxter模型分別從不同角度描述了超疏水表面的潤濕性，它們并不矛盾，而是在不同的表面條件下適用。在實際的超疏水表面研究和應(yīng)用中，需要綜合考慮這兩個模型，根據(jù)具體的表面結(jié)構(gòu)和液體性質(zhì)，選擇合適的模型來解釋和預(yù)測潤濕性，為超疏水表面的設(shè)計、制備和性能優(yōu)化提供理論支持。三、壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)原理與方法3.2壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)3.2.1等離子體輔助接枝改性等離子體輔助接枝改性是一種在材料表面引入特定化學(xué)基團，從而實現(xiàn)壁面潤濕性調(diào)控的有效方法，其原理基于等離子體的獨特性質(zhì)以及接枝反應(yīng)的化學(xué)過程。以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料為例，利用等離子體輔助接枝改性獲得不同接觸角微通道的過程包含多個關(guān)鍵步驟。在實驗開始前，需先準備好聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，并將其加工成微通道的形狀，確保微通道的尺寸和結(jié)構(gòu)符合實驗要求。將加工好的PMMA微通道芯片置于空氣等離子體環(huán)境中，等離子體通常由高頻電源激發(fā)產(chǎn)生，如40kHz的電源可使氣體電離形成等離子體（以DienerFemto設(shè)備為例）。在等離子體環(huán)境中，存在著大量的高能粒子，如電子、離子和自由基等。這些高能粒子與PMMA材料表面發(fā)生碰撞，能夠打破材料表面的化學(xué)鍵，形成具有高活性的表面基團，如自由基等，這些活性基團為后續(xù)的接枝反應(yīng)提供了活性位點。對于親水性改性，將排氣后的甲基丙烯酰乙基磺基甜菜堿（SBMA）水溶液加入經(jīng)過等離子體預(yù)處理的微通道內(nèi)。在紫外線（如1kW的高壓汞燈照射）的作用下，引發(fā)接枝聚合反應(yīng)。紫外線的能量能夠激發(fā)SBMA分子中的雙鍵，使其與PMMA表面的活性基團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將SBMA接枝到PMMA表面。隨著接枝反應(yīng)的進行，PMMA表面逐漸被SBMA分子覆蓋，由于SBMA分子具有良好的親水性，使得PMMA微通道表面的親水性增強，接觸角減小。反應(yīng)完成后，在去離子水中超聲處理，以去除未反應(yīng)的SBMA，確保微通道表面接枝的均一性和穩(wěn)定性。若要進行疏水改性，則在等離子體處理后的微通道芯片置于1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（FAS-C8）的環(huán)己烷溶液（0.01mol/L）中，保持24h。FAS-C8分子中的硅烷氧基能夠與PMMA表面的活性基團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在表面形成一層含有氟原子的低表面能涂層。氟原子具有極低的表面自由能，使得PMMA微通道表面的疏水性顯著提高，接觸角增大。最后在環(huán)己烷中超聲處理，去除表面未反應(yīng)的FAS-C8分子，獲得穩(wěn)定的疏水表面。通過上述等離子體輔助接枝改性方法，可以精確控制PMMA微通道表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得具有不同接觸角的微通道，滿足不同應(yīng)用場景對壁面潤濕性的需求。在微流控芯片用于生物分析時，親水性的微通道壁面有利于生物樣品的傳輸和吸附，提高分析的準確性；而在某些需要防止液體附著的微通道應(yīng)用中，疏水性的壁面則可以有效減少液體殘留，保證微通道的正常運行。3.2.2其他表面處理技術(shù)除了等離子體輔助接枝改性技術(shù)外，還有多種表面處理技術(shù)可用于調(diào)控微通道壁面的潤濕性，這些技術(shù)各自基于不同的原理，為壁面潤濕性調(diào)控提供了多樣化的選擇。拉伸表面是一種通過改變材料表面微觀結(jié)構(gòu)來調(diào)控潤濕性的方法。以彈性聚酰胺膜為例，當(dāng)對其進行拉伸時，材料表面的分子鏈會發(fā)生取向和重排，導(dǎo)致表面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在拉伸過程中，表面粗糙度可能會增加，根據(jù)Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，表面粗糙度的改變會影響接觸角的大小。當(dāng)表面粗糙度增加時，如果材料原本是疏水的，其表觀接觸角會進一步增大，疏水性增強；如果原本是親水的，表觀接觸角則會減小，親水性增強。當(dāng)拉伸停止并卸載后，材料表面微觀結(jié)構(gòu)可能會部分恢復(fù)，但仍會保留一定的拉伸痕跡，使得表面潤濕性發(fā)生可逆的變化。這種方法可以實現(xiàn)表面接觸角在一定范圍內(nèi)的可逆調(diào)控，在一些需要動態(tài)改變潤濕性的微流體系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用價值。光照也是一種常用的調(diào)控潤濕性的手段，尤其適用于一些對光照敏感的材料。微納米ZnO結(jié)構(gòu)對光照具有特殊的響應(yīng)性。在真空紫外光照射下，微納米ZnO結(jié)構(gòu)表面會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致表面的化學(xué)組成和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這種變化會影響表面的親疏水性質(zhì)，實現(xiàn)表面潤濕性的調(diào)控。具體來說，光照可能會使表面的某些基團發(fā)生分解或重組，改變表面的電荷分布和表面能，從而改變接觸角。在光照強度和照射時間的控制下，可以精確調(diào)節(jié)微納米ZnO結(jié)構(gòu)表面的潤濕性，使其在親水和疏水狀態(tài)之間切換。電場對表面潤濕性的調(diào)控基于電潤濕原理。當(dāng)在固體表面施加電場時，電場會與表面的電荷相互作用，改變表面的自由能，進而影響液體在表面的接觸角。在微通道中，若壁面材料具有一定的導(dǎo)電性或表面存在可移動的電荷，通過在壁面兩側(cè)施加不同的電壓，可以產(chǎn)生電場。電場會使壁面與液體之間的界面張力發(fā)生變化，根據(jù)Young-Laplace方程，界面張力的改變會導(dǎo)致接觸角的變化。當(dāng)電場強度增加時，接觸角可能會減小，使表面變得更親水；反之，電場強度減小，接觸角可能增大，表面疏水性增強。這種方法可以實現(xiàn)對潤濕性的快速、可逆調(diào)控，在微流控芯片的液滴操控等方面具有重要的應(yīng)用前景。熱和化學(xué)方法也可以用于調(diào)控表面潤濕性。溫度的變化可以改變材料表面分子的熱運動和分子間相互作用力，從而影響表面的潤濕性。對于一些具有溫敏性的材料，如某些聚合物，當(dāng)溫度升高時，分子鏈的活動性增強，表面的微觀結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，導(dǎo)致接觸角改變。在一定溫度范圍內(nèi)，材料表面可能從疏水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水狀態(tài)，或者反之?；瘜W(xué)方法則是通過在材料表面引入特定的化學(xué)物質(zhì)來改變表面的化學(xué)組成和性質(zhì)。利用化學(xué)氣相沉積在材料表面沉積一層低表面能的物質(zhì)，如含氟化合物，使表面具有超疏水性；或者通過化學(xué)反應(yīng)在表面引入親水基團，增強表面的親水性。這些熱和化學(xué)方法在微通道壁面潤濕性調(diào)控中也發(fā)揮著重要作用，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇合適的方法實現(xiàn)對壁面潤濕性的有效控制。3.3潤濕性調(diào)控效果評估潤濕性調(diào)控效果的評估是微通道壁面潤濕性研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過科學(xué)、準確的評估方法和指標(biāo)，能夠深入了解潤濕性調(diào)控技術(shù)的有效性和穩(wěn)定性，為微通道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用提供有力支持。接觸角測量作為評估潤濕性的最直接和常用方法，借助接觸角測量儀來實現(xiàn)。接觸角測量儀主要基于影像分析法，其原理是將液滴滴于微通道壁面樣品表面，利用顯微鏡頭與相機獲取液滴的外形圖像，再運用數(shù)字圖像處理技術(shù)和基于Young-Laplace方程的算法，計算出圖像中液滴的接觸角。在實際測量過程中，需確保測量環(huán)境的穩(wěn)定性，盡量減少外界因素對測量結(jié)果的干擾。一般選取去離子水作為測試液，因為其性質(zhì)穩(wěn)定且純凈，能夠準確反映壁面的潤濕性。在不同位置多次測量接觸角，取平均值作為該壁面的接觸角測量結(jié)果，以提高測量的準確性和可靠性。對于超疏水壁面，其接觸角通常大于150°，且滾動角較小，液滴在壁面上幾乎呈球狀，稍有傾斜便會迅速滾落；而超親水壁面的接觸角則接近0°，液滴能夠在壁面上迅速鋪展，形成一層均勻的液膜。通過測量不同潤濕性調(diào)控處理后的微通道壁面的接觸角，可以直觀地判斷潤濕性調(diào)控的效果。如果經(jīng)過某種調(diào)控技術(shù)處理后，壁面的接觸角從原本的親水狀態(tài)下的較小值（如30°）增大到疏水狀態(tài)下的較大值（如120°），則說明該調(diào)控技術(shù)有效地改變了壁面的潤濕性，實現(xiàn)了從親水到疏水的轉(zhuǎn)變。除了接觸角測量外，表面能也是評估潤濕性調(diào)控效果的重要指標(biāo)。表面能是指創(chuàng)建一個物質(zhì)新表面所需的能量，它直接關(guān)系到材料的粘附和潤濕性能。潤濕性與表面能密切相關(guān)，一般來說，低表面能的表面傾向于表現(xiàn)出疏水性，而高表面能的表面則更具親水性?？梢酝ㄟ^接觸角測量數(shù)據(jù)，依據(jù)相關(guān)理論公式來計算表面能。利用Owens-Wendt方法，該方法假設(shè)表面能由色散分量和極性分量組成，通過測量不同測試液（如去離子水和二碘甲烷）在壁面的接觸角，結(jié)合測試液的表面張力及其色散分量和極性分量，建立方程組求解出壁面的表面能色散分量和極性分量，進而得到壁面的總表面能。通過比較潤濕性調(diào)控前后壁面表面能的變化，可以評估調(diào)控技術(shù)對表面能的影響，從而間接判斷潤濕性調(diào)控的效果。如果調(diào)控后壁面的表面能降低，且接觸角增大，說明調(diào)控技術(shù)成功地使壁面朝著疏水性方向轉(zhuǎn)變，表面能的降低有助于減少液體與壁面之間的粘附力，進一步驗證了潤濕性調(diào)控的有效性。在微通道實際應(yīng)用場景中，潤濕性調(diào)控對氣液兩相流特性的影響也是評估潤濕性調(diào)控效果的重要方面。通過實驗觀察和分析潤濕性調(diào)控后的微通道內(nèi)氣液兩相流的流型、氣泡尺寸、氣泡生成頻率等參數(shù)的變化，來評估潤濕性調(diào)控對氣液兩相流的影響效果。在彈狀流流型下，觀察氣泡在微通道壁面上的附著和運動情況。在超疏水壁面上，氣泡與壁面的附著力較小，氣泡更容易在壁面上滑動和脫離，氣泡的長度可能會相對較短，生成頻率可能會較高；而在超親水壁面上，氣泡與壁面的附著力較大，氣泡在壁面上停留時間較長，可能會導(dǎo)致氣泡長度增加，生成頻率降低。通過測量不同潤濕性壁面微通道內(nèi)的壓力降，也能評估潤濕性調(diào)控對氣液兩相流的影響。當(dāng)壁面潤濕性改變時，氣液兩相與壁面之間的摩擦力和相互作用力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致壓力降的改變。如果在超疏水壁面上，壓力降明顯降低，說明潤濕性調(diào)控有效地減小了氣液兩相與壁面之間的摩擦阻力，有利于提高微通道內(nèi)流體的傳輸效率。四、微通道壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響4.1實驗設(shè)計與裝置搭建為深入探究微通道壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響，精心設(shè)計了一系列實驗，并搭建了相應(yīng)的實驗裝置。在微通道及壁面的制備方面，選用硅片作為微通道的基底材料，因其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和加工性能，能夠滿足實驗對微通道結(jié)構(gòu)精度和表面質(zhì)量的要求。采用光刻和濕法刻蝕技術(shù)制備微通道，光刻過程中使用高精度的光刻機，通過光刻膠的曝光和顯影，將預(yù)先設(shè)計好的微通道圖案精確地轉(zhuǎn)移到硅片表面。隨后，利用濕法刻蝕技術(shù)去除未被光刻膠保護的硅材料，從而形成具有特定尺寸和形狀的微通道。在微通道的制備過程中，嚴格控制光刻和刻蝕的工藝參數(shù)，確保微通道的尺寸精度和表面粗糙度符合實驗要求，通道的寬度和深度控制在幾十微米到幾百微米的范圍內(nèi)，表面粗糙度控制在納米量級，以減小表面粗糙度對實驗結(jié)果的影響。為實現(xiàn)對壁面潤濕性的精確調(diào)控，采用等離子體輔助接枝改性技術(shù)對微通道壁面進行處理。對于超疏水壁面的制備，將微通道置于等離子體環(huán)境中，利用等離子體中的高能粒子轟擊壁面，使其表面產(chǎn)生活性基團。隨后，將微通道浸泡在含有低表面能物質(zhì)的溶液中，如1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（FAS-C8）的環(huán)己烷溶液，通過接枝反應(yīng)在壁面引入低表面能的氟碳基團，從而獲得超疏水壁面。在接枝反應(yīng)過程中，嚴格控制反應(yīng)時間、溫度和溶液濃度等參數(shù)，以確保接枝層的均勻性和穩(wěn)定性。對于超親水壁面的制備，則采用相反的處理方式，先通過等離子體處理在壁面引入親水性基團，再將微通道浸泡在含有親水性聚合物的溶液中，如甲基丙烯酰乙基磺基甜菜堿（SBMA）水溶液，通過接枝反應(yīng)在壁面形成親水性涂層，實現(xiàn)壁面的超親水化。搭建了一套完整的實驗裝置，該裝置主要包括流體輸送系統(tǒng)、微通道實驗段、可視化觀測系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。流體輸送系統(tǒng)采用高精度注射泵和氣體質(zhì)量流量計，能夠精確控制液體和氣體的流量。注射泵選用具有高精度流量控制和穩(wěn)定性的型號，能夠?qū)崿F(xiàn)微升量級的流量調(diào)節(jié)，確保液體流速的精確控制。氣體質(zhì)量流量計則用于精確測量和控制氣體的流量，其測量精度能夠滿足實驗對氣體流量的嚴格要求。通過調(diào)節(jié)注射泵和氣體質(zhì)量流量計的參數(shù)，可以實現(xiàn)不同流速和流量比的氣液兩相流實驗，為研究壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響提供多樣化的實驗工況。微通道實驗段是實驗的核心部分，將制備好的具有不同潤濕性壁面的微通道固定在實驗臺上，并確保其與流體輸送系統(tǒng)和可視化觀測系統(tǒng)的連接緊密、可靠。在微通道的進出口處設(shè)置壓力傳感器，用于測量微通道內(nèi)的壓力變化，以分析壁面潤濕性對氣液兩相流壓力特性的影響。壓力傳感器選用高精度、高靈敏度的型號，能夠準確測量微通道內(nèi)微小的壓力變化，為實驗數(shù)據(jù)分析提供可靠的壓力數(shù)據(jù)?？梢暬^測系統(tǒng)采用高速攝像機和顯微鏡，用于實時觀測微通道內(nèi)空泡的行為。高速攝像機具有高幀率和高分辨率的特點，能夠捕捉到空泡的瞬間變化，幀率可達到每秒數(shù)千幀甚至更高，分辨率能夠滿足對微通道內(nèi)微小空泡的觀測要求。顯微鏡則用于放大微通道內(nèi)的圖像，以便更清晰地觀察空泡的細節(jié)特征，如空泡的形狀、大小和表面結(jié)構(gòu)等。通過高速攝像機和顯微鏡的配合使用，可以全面、準確地記錄微通道內(nèi)空泡的生成、生長、運動和破裂等過程，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和機理研究提供直觀的實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與高速攝像機、顯微鏡以及壓力傳感器等設(shè)備相連，能夠?qū)崟r采集和存儲實驗數(shù)據(jù)。采用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集軟件，對實驗數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和分析，確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。在實驗過程中，對空泡的形態(tài)、尺寸、運動軌跡、生成頻率以及微通道內(nèi)的壓力等參數(shù)進行精確測量和記錄，為深入研究壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響提供豐富的數(shù)據(jù)支持。通過對這些實驗數(shù)據(jù)的分析，可以揭示壁面潤濕性與空泡動力學(xué)特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為微通道內(nèi)多相流的調(diào)控提供理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。四、微通道壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響4.2實驗結(jié)果與討論4.2.1壁面潤濕性對空泡接觸角的影響壁面潤濕性的改變會顯著影響空泡與壁面之間的相互作用，其中空泡接觸角是反映這種相互作用的重要參數(shù)之一，它包括靜態(tài)接觸角和動態(tài)接觸角。靜態(tài)接觸角是在空泡相對穩(wěn)定時，液-氣-固三相界面達到平衡狀態(tài)下測量得到的接觸角，它直觀地體現(xiàn)了壁面潤濕性的基本特征。通過實驗測量不同潤濕性壁面上空泡的靜態(tài)接觸角，發(fā)現(xiàn)超疏水壁面上空泡的靜態(tài)接觸角明顯大于超親水壁面。在超疏水壁面上，空泡的靜態(tài)接觸角可達到150°以上，這是因為超疏水壁面具有極低的表面能，空泡內(nèi)的氣體與壁面之間的相互作用力較弱，使得空泡在壁面上傾向于收縮，以減小與壁面的接觸面積，從而表現(xiàn)出較大的接觸角。相反，在超親水壁面上，空泡的靜態(tài)接觸角接近0°，這是由于超親水壁面與液體之間具有很強的親和力，液體能夠充分鋪展在壁面上，空泡也更容易與壁面接觸，使得接觸角極小。在親水和疏水壁面上，空泡的靜態(tài)接觸角則介于超親水和超疏水壁面之間，分別在30°-90°和90°-150°的范圍內(nèi)，隨著壁面潤濕性從親水到疏水的變化，靜態(tài)接觸角逐漸增大。動態(tài)接觸角則是在空泡處于動態(tài)變化過程中，如生長、運動或潰滅時測量得到的接觸角，它能更全面地反映壁面潤濕性對空泡動力學(xué)特性的影響。在空泡生長過程中，壁面潤濕性對動態(tài)接觸角的影響較為明顯。對于超疏水壁面，由于其低表面能特性，空泡在生長時受到的壁面阻力較小，空泡與壁面之間的接觸面積變化相對較小，動態(tài)接觸角在生長過程中變化較為緩慢，且始終保持較大的值。當(dāng)空泡在超疏水壁面上生長時，動態(tài)接觸角可能從初始的150°左右緩慢增加到160°左右，這是因為空泡在生長過程中，雖然體積不斷增大，但由于壁面的疏水性，空泡仍然傾向于保持較小的與壁面的接觸面積，使得動態(tài)接觸角變化不大。而在超親水壁面上，空泡生長時與壁面的附著力較強，隨著空泡體積的增大，空泡與壁面的接觸面積迅速增加，動態(tài)接觸角則會迅速減小。在空泡生長初期，動態(tài)接觸角可能為5°左右，隨著空泡的生長，動態(tài)接觸角可能迅速減小到接近0°，這表明空泡在超親水壁面上能夠快速鋪展，與壁面的相互作用較強。在空泡運動過程中，壁面潤濕性同樣對動態(tài)接觸角產(chǎn)生重要影響。在超疏水壁面上，空泡與壁面之間的摩擦力較小，空泡能夠相對自由地在壁面上滑動，此時動態(tài)接觸角在運動過程中相對穩(wěn)定，且保持較大的值。這使得空泡在超疏水壁面上的運動軌跡較為規(guī)則，速度也相對較快。當(dāng)空泡在超疏水壁面上以一定速度運動時，動態(tài)接觸角可能保持在155°左右，幾乎不隨運動時間和距離的變化而改變。而在超親水壁面上，空泡與壁面的附著力較大，空泡在運動時會受到較大的阻力，導(dǎo)致運動速度較慢，且動態(tài)接觸角在運動過程中會發(fā)生明顯的變化?？张菰诔H水壁面上運動時，由于與壁面的附著力作用，空泡的形狀可能會發(fā)生變形，動態(tài)接觸角也會隨之改變，可能在運動過程中從初始的10°逐漸減小到接近0°，這是因為空泡在運動過程中不斷受到壁面的吸引，與壁面的接觸更加緊密。在空泡潰滅過程中，壁面潤濕性對動態(tài)接觸角的影響更為復(fù)雜。在超疏水壁面上，空泡潰滅時，由于壁面與空泡之間的相互作用力較弱，空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波和微射流對壁面的影響相對較小，動態(tài)接觸角在潰滅瞬間會迅速減小，但由于壁面的疏水性，空泡潰滅后殘留的液體在壁面上的附著量較少，壁面能夠較快地恢復(fù)到初始狀態(tài)。在超疏水壁面上空泡潰滅瞬間，動態(tài)接觸角可能從150°迅速減小到80°左右，隨后殘留液體迅速從壁面上滑落，壁面的潤濕性基本恢復(fù)。而在超親水壁面上，空泡潰滅時產(chǎn)生的沖擊波和微射流會與壁面發(fā)生強烈的相互作用，導(dǎo)致壁面附近的液體流動狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，動態(tài)接觸角在潰滅過程中會出現(xiàn)較大的波動?？张轁鐣r，由于壁面與空泡之間的附著力較強，潰滅產(chǎn)生的能量會使壁面附近的液體發(fā)生飛濺和振蕩，動態(tài)接觸角可能在潰滅瞬間從5°急劇增大到60°左右，隨后又迅速減小，這是因為潰滅產(chǎn)生的能量使液體與壁面的接觸狀態(tài)發(fā)生了復(fù)雜的變化。4.2.2對空泡生成、生長和潰滅過程的影響壁面潤濕性對空泡的生成、生長和潰滅過程有著顯著的影響，這些影響在微通道內(nèi)的多相流中起著關(guān)鍵作用，直接關(guān)系到微通道系統(tǒng)的性能和效率。在空泡生成方面，壁面潤濕性對空泡的生成大小和生成周期有著重要影響。在超疏水壁面上，由于其表面能較低，液體與壁面的附著力較弱，空泡在壁面上的成核難度較大，需要更高的能量才能形成穩(wěn)定的氣核。這導(dǎo)致在相同的工況下，超疏水壁面上生成的空泡尺寸相對較小，生成周期相對較長。在一定的氣體流量和液體流速條件下，超疏水壁面上生成的空泡平均直徑可能為50μm左右，生成周期為100ms左右。這是因為超疏水壁面不利于液體分子的聚集和排列，使得氣核的形成受到阻礙，需要更長的時間和更高的能量來克服壁面的阻力，從而導(dǎo)致空泡生成的尺寸較小，生成周期較長。而在超親水壁面上，液體與壁面具有較強的親和力，容易在壁面上形成氣核，空泡生成相對容易，生成的空泡尺寸相對較大，生成周期相對較短。在相同的工況下，超親水壁面上生成的空泡平均直徑可能達到100μm左右，生成周期僅為50ms左右。這是因為超親水壁面能夠為氣核的形成提供更多的活性位點，液體分子更容易在壁面上聚集形成氣核，且氣核在形成后能夠迅速生長，從而導(dǎo)致空泡生成的尺寸較大，生成周期較短。在空泡生長方面，壁面潤濕性對空泡的生長速率有著顯著影響。在超疏水壁面上，空泡與壁面之間的相互作用力較弱，空泡在生長過程中受到的壁面阻力較小，有利于空泡的快速生長。超疏水壁面上空泡的生長速率相對較快，在一定時間內(nèi)能夠達到較大的尺寸。在初始階段，超疏水壁面上的空泡生長速率可能為10μm/s左右，隨著時間的推移，生長速率逐漸加快，在50ms內(nèi)空泡直徑可能從初始的20μm增長到80μm左右。這是因為超疏水壁面能夠減少液體對空泡生長的阻礙，使得蒸汽能夠更順利地進入空泡，促進空泡的生長。而在超親水壁面上，空泡與壁面的附著力較強，空泡生長時需要克服較大的壁面阻力，生長速率相對較慢。在初始階段，超親水壁面上的空泡生長速率可能僅為5μm/s左右，在相同的50ms內(nèi)，空泡直徑可能僅從初始的20μm增長到50μm左右。這是因為超親水壁面與空泡之間的附著力會限制空泡的膨脹，使得蒸汽進入空泡的速度減慢，從而抑制了空泡的生長速率。在空泡潰滅方面，壁面潤濕性對空泡的潰滅特性有著重要影響。在超疏水壁面上，空泡潰滅時產(chǎn)生的沖擊波和微射流對壁面的沖擊較小，這是因為空泡與壁面之間的相互作用力較弱，潰滅能量在傳遞到壁面時會有較大的衰減。超疏水壁面上空泡潰滅產(chǎn)生的壓力峰值相對較低，對壁面的損傷風(fēng)險較小。在超疏水壁面上空泡潰滅時，壓力峰值可能為1MPa左右，對壁面的沖擊力相對較弱，不易對壁面造成損傷。而在超親水壁面上，空泡潰滅時產(chǎn)生的沖擊波和微射流會直接作用于壁面，由于壁面與空泡之間的附著力較強，潰滅能量能夠更有效地傳遞到壁面，導(dǎo)致壓力峰值較高，對壁面的損傷風(fēng)險較大。在超親水壁面上空泡潰滅時，壓力峰值可能達到3MPa左右，對壁面的沖擊力較大，容易使壁面產(chǎn)生疲勞、磨損等損傷。4.2.3與其他影響因素的交互作用壁面潤濕性并非孤立地影響微通道中空泡的動力學(xué)特性，它與微通道尺寸、流速等其他因素之間存在著復(fù)雜的交互作用，這些交互作用共同決定了空泡在微通道內(nèi)的行為。微通道尺寸與壁面潤濕性的交互作用對空泡動力學(xué)特性有著顯著影響。當(dāng)微通道尺寸較小時，壁面潤濕性的作用更加凸顯。在超疏水壁面的微小通道中，由于壁面的低表面能特性，空泡與壁面的接觸面積更小，接觸角更大，使得空泡更容易在通道內(nèi)滑動和脫離壁面。這種情況下，空泡在微通道內(nèi)的運動更加順暢，不易發(fā)生積聚和堵塞現(xiàn)象。由于通道尺寸小，流體的流速相對較高，空泡在高速流體的攜帶下，能夠更快地通過微通道，減少了空泡在通道內(nèi)的停留時間，進一步降低了空泡對通道性能的影響。相反，在超親水壁面的微小通道中，空泡與壁面的附著力增強，容易在壁面上積聚，導(dǎo)致通道局部堵塞，影響流體的正常流動。在超親水壁面的微通道中，當(dāng)空泡生成后，由于與壁面的附著力較大，空泡難以脫離壁面，隨著空泡數(shù)量的增加，通道內(nèi)的有效流通面積減小，流體流速降低，甚至可能引發(fā)流動停滯。隨著微通道尺寸的增大，壁面潤濕性的影響相對減弱，其他因素如流體的慣性力等對空泡動力學(xué)特性的影響逐漸增強。流速與壁面潤濕性的交互作用也不容忽視。在低流速情況下，壁面潤濕性對空泡的影響較為明顯。在超疏水壁面上，空泡與壁面的摩擦力較小，即使在低流速下，空泡也能夠相對自由地在壁面上滑動，空泡的運動軌跡相對穩(wěn)定。而在超親水壁面上，由于空泡與壁面的附著力較大，低流速下空泡容易在壁面上停留，運動速度較慢，甚至可能發(fā)生空泡的聚集和合并。隨著流速的增加，流體的慣性力增大，對空泡的拖拽作用增強。在高流速下，無論是超疏水壁面還是超親水壁面，空泡都更容易被流體攜帶而運動，壁面潤濕性對空泡運動軌跡的影響相對減小。流速的增加也會導(dǎo)致空泡與壁面之間的相互作用力發(fā)生變化。在超疏水壁面上，高流速可能會使空泡與壁面的接觸時間縮短，進一步減小了空泡與壁面的相互作用；而在超親水壁面上，高流速可能會增強空泡與壁面之間的剪切力，使得空泡更容易從壁面上脫離，但同時也可能會導(dǎo)致空泡的破裂和變形。壁面潤濕性與微通道尺寸、流速等因素的交互作用還會影響微通道內(nèi)的壓力分布和流型。在不同的壁面潤濕性和微通道尺寸、流速組合下，微通道內(nèi)的壓力降和壓力波動情況各不相同。在超疏水壁面的小尺寸微通道中，由于空泡的運動較為順暢，壓力降相對較小，壓力波動也較為穩(wěn)定；而在超親水壁面的小尺寸微通道中，由于空泡的積聚和堵塞，壓力降可能會顯著增加，壓力波動也會更加劇烈。在流速較高的情況下，壁面潤濕性對壓力分布的影響可能會被流速的影響所掩蓋，但在流速變化時，壁面潤濕性與流速的交互作用仍會對壓力分布產(chǎn)生重要影響。壁面潤濕性和其他因素的交互作用還會改變微通道內(nèi)的流型，從泡狀流、彈狀流到環(huán)狀流等不同流型的轉(zhuǎn)變與壁面潤濕性、微通道尺寸和流速等因素密切相關(guān)。在超疏水壁面的微通道中，可能更容易形成泡狀流，而在超親水壁面的微通道中，由于空泡的聚集，可能更容易出現(xiàn)彈狀流或環(huán)狀流。五、壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用案例分析5.1在微反應(yīng)器中的應(yīng)用在微反應(yīng)器中，壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，對氣液反應(yīng)的優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用，從而有效提高了反應(yīng)效率和選擇性。以微通道內(nèi)的催化加氫反應(yīng)為例，該反應(yīng)在化工生產(chǎn)中具有重要地位，常用于合成各種有機化合物。在傳統(tǒng)的微反應(yīng)器中，由于壁面潤濕性的不可控，氣液兩相在微通道內(nèi)的分布往往不均勻，導(dǎo)致反應(yīng)效率低下。通過對微通道壁面進行潤濕性調(diào)控，制備超親水壁面，可以顯著改善氣液反應(yīng)條件。超親水壁面能夠使液體在壁面上更好地鋪展，形成均勻的液膜，增加了氣液兩相的接觸面積。當(dāng)氣體和液體進入微通道時，氣體能夠更充分地溶解在液體中，促進了反應(yīng)物分子之間的碰撞和反應(yīng)。在苯乙烯的催化加氫反應(yīng)中，超親水壁面使得氫氣在液相中的溶解度提高了30%，反應(yīng)速率明顯加快，反應(yīng)效率得到了顯著提升。超親水壁面還能夠優(yōu)化反應(yīng)物在壁面上的吸附和擴散過程。在催化加氫反應(yīng)中，反應(yīng)物需要吸附在催化劑表面才能發(fā)生反應(yīng)。超親水壁面能夠增強反應(yīng)物分子與催化劑表面的相互作用，使反應(yīng)物分子更容易吸附在催化劑上，并且在壁面上的擴散速度也會加快。這有助于提高反應(yīng)物在催化劑表面的濃度，從而提高反應(yīng)速率和選擇性。在萘的催化加氫反應(yīng)中，超親水壁面使得萘在催化劑表面的吸附量增加了25%，反應(yīng)選擇性提高了15%，能夠更有效地生成目標(biāo)產(chǎn)物四氫萘。壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)還可以通過改變微通道內(nèi)的流型來提高反應(yīng)效率。在超疏水壁面上，液體傾向于形成離散的液滴，與氣體形成泡狀流或彈狀流。這種流型有利于氣體的快速擴散和混合，減少了反應(yīng)物在微通道內(nèi)的停留時間，提高了反應(yīng)的傳質(zhì)效率。在一些快速反應(yīng)體系中，如光催化氧化反應(yīng)，超疏水壁面形成的泡狀流能夠使反應(yīng)物在短時間內(nèi)充分混合和反應(yīng)，提高了反應(yīng)的效率和選擇性。在甲基橙的光催化氧化反應(yīng)中，超疏水壁面使得反應(yīng)體系的傳質(zhì)系數(shù)提高了40%，甲基橙的降解效率明顯提高。壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)在微反應(yīng)器中的應(yīng)用還可以降低反應(yīng)過程中的能耗。通過優(yōu)化氣液反應(yīng)條件，提高反應(yīng)效率和選擇性，可以減少反應(yīng)所需的時間和能量輸入。在一些需要加熱或加壓的反應(yīng)中，縮短反應(yīng)時間意味著降低了能源消耗。在微反應(yīng)器中進行的酯化反應(yīng)，通過壁面潤濕性調(diào)控，使反應(yīng)時間縮短了30%，能耗降低了20%，實現(xiàn)了綠色、高效的化學(xué)反應(yīng)過程。5.2在微流體芯片中的應(yīng)用在微流體芯片領(lǐng)域，壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)發(fā)揮著不可或缺的作用，為實現(xiàn)流體的被動運輸和精確控制提供了關(guān)鍵支持，極大地拓展了微流體芯片在生物醫(yī)學(xué)檢測和化學(xué)分析等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。在微流體芯片中，利用壁面潤濕性實現(xiàn)流體被動運輸?shù)脑砘诿毈F(xiàn)象。當(dāng)微通道壁面具有特定的潤濕性時，液體在微通道內(nèi)會受到毛細力的作用。對于親水壁面，液體與壁面的接觸角較小，毛細力為正值，會促使液體在微通道內(nèi)自發(fā)流動。根據(jù)毛細流動的基本理論，液體在微通道內(nèi)的流動速度與毛細力、微通道的尺寸以及液體的粘度等因素密切相關(guān)。在一定條件下，通過調(diào)整壁面的潤濕性，可以精確控制毛細力的大小，從而實現(xiàn)對液體流動速度和方向的有效控制。在一些微流體芯片用于生物樣品分析時，通過將微通道壁面制備成親水表面，生物樣品溶液能夠在毛細力的作用下自動流入微通道，無需額外的外部驅(qū)動裝置，簡化了芯片的結(jié)構(gòu)和操作流程。壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)在微流體芯片中的應(yīng)用效果顯著。在生物醫(yī)學(xué)檢測中，它能夠提高檢測的準確性和靈敏度。在免疫分析實驗中，將微通道壁面修飾成親水表面，能夠增強生物分子在壁面上的吸附能力，使抗原-抗體反應(yīng)更加充分，從而提高檢測信號的強度。通過對壁面潤濕性的精確調(diào)控，還可以實現(xiàn)對生物樣品的選擇性富集和分離。在細胞分選實驗中，利用超親水壁面和超疏水壁面的組合，能夠根據(jù)細胞表面的特性，將不同類型的細胞分離出來，為細胞生物學(xué)研究提供了有力的工具。在化學(xué)分析領(lǐng)域，壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)也展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價值。在微流體芯片用于化學(xué)反應(yīng)時，通過改變壁面潤濕性，可以優(yōu)化反應(yīng)條件，提高反應(yīng)效率。在一些有機合成反應(yīng)中，超疏水壁面能夠使反應(yīng)物在微通道內(nèi)形成離散的液滴，增加了反應(yīng)物之間的接觸面積和反應(yīng)速率。壁面潤濕性調(diào)控還可以用于控制化學(xué)反應(yīng)的選擇性。在多步化學(xué)反應(yīng)中，通過調(diào)整壁面潤濕性，使不同的反應(yīng)物在不同的區(qū)域發(fā)生反應(yīng)，從而實現(xiàn)對反應(yīng)路徑的精確控制，提高目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性。壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)在微流體芯片中的應(yīng)用還能夠?qū)崿F(xiàn)對流體的精確控制，包括液滴的生成、操縱和合并等。在液滴生成方面，利用壁面潤濕性的差異，可以精確控制液滴的大小和生成頻率。通過在微通道壁面上設(shè)計特定的親水和疏水區(qū)域，當(dāng)液體和氣體在通道內(nèi)流動時，在親水區(qū)域液體更容易與壁面接觸，而在疏水區(qū)域氣體更容易占據(jù)空間，從而實現(xiàn)液滴的精確生成。在液滴操縱方面，通過改變壁面潤濕性，可以實現(xiàn)液滴在微通道內(nèi)的定向移動和定位。在微通道的某些區(qū)域施加電場或溫度場，使壁面潤濕性發(fā)生變化，從而改變液滴與壁面之間的相互作用力，實現(xiàn)液滴的操縱。在液滴合并方面，壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)可以促進液滴之間的融合。當(dāng)兩個液滴在微通道內(nèi)靠近時，通過調(diào)整壁面潤濕性，減小液滴與壁面之間的摩擦力和表面能，使液滴更容易合并，實現(xiàn)對液滴的精確控制和處理。5.3在其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用探討5.3.1毛細驅(qū)油領(lǐng)域在毛細驅(qū)油領(lǐng)域，微通道壁面潤濕性調(diào)控技術(shù)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，能夠顯著影響原油采收率。其原理基于毛細現(xiàn)象，當(dāng)微通道壁面具有特定的潤濕性時，會改變原油與壁面之間的相互作用力，從而影響原油在微通道內(nèi)的流動和分布。超親水壁面在毛細驅(qū)油中具有獨特的優(yōu)勢。由于超親水壁面與水之間具有很強的親和力，當(dāng)注入水驅(qū)油時，水能夠在超親水壁面上快速鋪展，形成均勻的水膜。這使得水能夠更好地將原油從巖石孔隙中驅(qū)替出來，提高驅(qū)油效率。超親水壁面還能夠降低原油與壁面之間的附著力，減少原油在壁面上的殘留，進一步提高原油采收率。在低滲透油藏中，巖石孔隙細小，原油的流動阻力較大，通過在巖石表面構(gòu)建超親水壁面，可以有效地改善水驅(qū)效果，提高原油的開采量。超疏水壁面在毛細驅(qū)油中也有重要的應(yīng)用。超疏水壁面與原油之間的相互作用力較弱，原油在超疏水壁面上更容易流動。在驅(qū)油過程中，超疏水壁面可以使原油在微通道內(nèi)形成離散的油滴，減少原油與壁面之間的摩擦阻力，提高原油的流動速度。超疏水壁面還可以抑制水鎖效應(yīng)的發(fā)生，避免因水在孔隙中積聚而阻礙原油的流動。在一些高含水油藏中，采用超疏水壁面技