- 课题背景及意义
液滴或气泡的迁移现象无论是在流体力学还是在化学工程、材料加工等实际引用中都是一个十分重要的课题[1]，由于其过程中所具有的高效热值传输特性，而收到学者们的高度关注。液滴或气泡的毛细迁移过程不仅在宏观领域如液体火箭燃烧系统、空间环境冷却系统和太空焊接等许多等许多空间及时应用方面多有涉及，例如2002年底在神州四号飞船上进行的液滴迁移实验[2]，而且在空间材料无模铸造工艺也被认为是在生成纯度很高的材料的十分有发展潜力的技术[3]。在生物化学科技领域液滴迁移现象的研究依然具有广泛的应用前景。随着微尺度生物科学研究的重要性的日益增加，基于液滴的微流体已经成为了生物化学分析不可替代的工具[4]。液滴可以在实验室作为实验室反应物传送芯片上载工作，在液滴形态微流体研究中，基于液滴的微流体学是一个新兴的领域，因此需要在微尺度上对单个液滴进行有效的操作。
液滴迁移过程中所涉及到的摩擦具有很大的研究潜力[5]，在摩擦的系统中，涉及到摩擦的问题总是伴随着一些能量的耗散，从而使得产生热的热梯度发生了一些现象，热梯度的存在引起液体-气体表面的界面张力梯度变化，从而在这个表面上形成了切应力，使得对流现象不可避免的出现在液体当中。这种摩擦现象所导致的液滴迁移的研究和外部温度场的影响在研究微型领域如微型滚动轴承、硬盘、微电子等方面都是至关重要的。因此就需要研究液滴迁移现象以更好的了解这种现象的性质。
复杂三维空间流结构上对于温度梯度表面相反的各种模拟结果三维性的液滴动力学基于较低维润滑和二维模型中的文献的研究的重要性报道说明了数字微流体已成为在生物、医学、和化学科学各种微流体应用的多功能工具[6]。液滴的微操作是用于数字微流体系统中的设计和优化的关键步骤之一。液滴的动力学还在微热交换器、热管等设备的研究中起到了至关重要的作用。因此理解液滴操作的流动物理学关系到基于液滴的微流体系统的根本利益。
随着空间领域技术和空间实验的蓬勃发展，微重力环境下的力学机理研究也变得越来越重要，尤其是液滴在微重力环境下的迁移问题。在微重力环境下，重力作用忽略不计，浮力效应消失，液滴在母液中的迁移运动在加上外场的作用时就可能发生。在实际应用中用外加温度场、电磁，或者依靠一些泳动现象如电泳、热泳等方法来诱导野地运动，其中研究最多的就是界面上外加温度梯度或浓度梯度产生表面张力梯度，诱导液滴发生迁移运动。在微重力条件下，由温度梯度引起的液滴迁移运动就是热毛细作用的问题，在地面重力场作用下，热毛细的作用被掩盖了，只能存在与特征尺度很小的体系中，而且是与重力问题耦合在一起的，只有在微重力条件下才能更好的研究这种热毛细运动问题的物理规律。
综上所述，本课题所探究的微通道内液滴毛细对流迁移现象，在当今的众多领域得到了广泛的应用，尽管实现的方式不尽相同，但是都利用了液滴迁移运动中的相关特征。液滴的迁移过程是一个多物理场耦合的复杂过程，涉及到微流体动力学、微重力环境等多方面领域。因此，针对毛细液滴对流迁移现象展开深入研究，不仅仅具有重要的理论与科学意义，同时具有广泛的应用价值与前景。
- 国内外研究现状
液滴热毛细迁移问题首先由Yang[7]等提出在小雷诺数、小Marangoni数情况下的YGB线性理论模型。Xie[8]等常磊[9]等对单液滴迁移问题分别进行实验研究和数值模拟，实验液滴迁移速度小于理论YGB理论速度，其随着雷诺数、马赫数的增大而偏差增大。对于多液滴或多气泡的情况，小雷诺数，小Marangoni数，Wei等[10]Sun等[11]计算了多种情况下的液滴之间的相互作用影响。中雷诺数，中Marangoni数，Nas等[12]通过N--S方程与能量守恒方程耦合， 计算三维状态下多液滴的情况。更大Marangoni数，崔海亮[13]实验中，相互影响明显的区域是大气泡直径0.5sim;1.1倍；大气泡超越小气泡时，小气泡迁移速度减小。Kang等[14]实验表明，直径不同液滴迁移过程，小液滴出现倾斜轨迹。尹兆华等[15]数值模拟表明，液滴引起的温度场扰动是影响液滴运动的主要因素。常磊[16]计算发现，小液滴超越大液滴，两液滴存在相互远离的横向运动，大液滴所受影响更显著。在前者研究的基础上，后来研究者进行了大量的实验研究、理论建模与数值模拟，对液滴迁移的单液滴迁移、多液滴或多气泡、三维状态下多液滴的迁移情况、在更大的Marangoni数情况下的许多相关特性得到了一定得研究成果，但是仍然存在大量的基础理论需要研究。接下来将对单液滴情况、多液滴情况和更大Marangoni数情况下作详细阐述和分析。
2.1 单液滴情况
实验采用密度匹配方法，通过减小重力引起的浮力效应研究液滴热毛细迁移，母液介质为豆油，液滴介质为5号硅油与2号硅油。物性参数见表 1.
实验过程中，液池中首先建立稳定垂直向上的温度梯度。由于热毛细作用，液滴注入后将向高温端迁移。实验分别选取2种不同型号的硅油，5号硅 油和2号硅油.。每种硅油进行了不同直径的液滴迁移实验。液滴迁移实验过程由摄像头记录图像至计算机中。每一帧图像通过图像分析确定液滴的中心。
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