COMSOL淺談液滴的自輸運（定向運輸、自發(fā)運移）

2023-08-06 22:04 作者:極度喜歡上課 0人讀過 | 我要投稿

作者：極度喜歡上課

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一、引言

? ? ? ? 液滴自輸運（定向運輸、自發(fā)運移）是指液滴自主運動的現(xiàn)象，是微流控領(lǐng)域的一個熱門方向。其中“表面張力”就是一種導(dǎo)致液滴自輸運的重要因素，具體的其實是液滴表面形成“表面張力梯度”，也就是不均勻的表面張力，進(jìn)而導(dǎo)致液滴的自輸運。而形成“表面張力梯度”的方法有很多，例如：1.由溫度梯度、物質(zhì)濃度梯度引起的馬蘭戈尼效應(yīng)形成的“表面張力梯度”；2.由接觸角（表面潤濕性）梯度形成的“表面張力梯度”；3.由曲率半徑差異形成的“表面張力梯度”。

? ? ? ? 基于COMSOL Mutiphysics，本文分別建立了“接觸角（表面潤濕性）梯度”和“曲率半徑差異”導(dǎo)致液滴自輸運現(xiàn)象的模型。其中對“接觸角（表面潤濕性）梯度”導(dǎo)致的液滴自輸運現(xiàn)象建立了二維和三維模型，“曲率半徑差異”導(dǎo)致液滴的自輸運現(xiàn)象的模型則是對參考文獻(xiàn)《錐形微通道內(nèi)液滴自輸運特性及力學(xué)驅(qū)動機(jī)制研究》[1]所進(jìn)行的基本復(fù)現(xiàn)。

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二、“接觸角（表面潤濕性）梯度”導(dǎo)致的液滴自輸運

（一）二維模型

? ? ? ? 1.模型的建立

? ? ? ? 如圖1所示，建立二維模型。模型整體為寬8毫米、高2毫米的矩形，其中半圓部分為液滴，周圍為空氣。與液滴接觸的壁面設(shè)置成是梯度潤濕壁面，最左端接觸角為90度，最右端接觸角為70度。空氣和液滴所使用的材料物性參數(shù)直接調(diào)用COMSOL的內(nèi)置材料Air和Water, liquid。

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? ? ? ? 2.結(jié)果分析與討論

? ? ? ? 如圖2所示，為液滴在不同時刻的位置圖，黑白圖例顯示的是梯度潤濕面的接觸角大小。從圖中可以看出液滴向右發(fā)生了明顯的位移。

? ? ? ? 如圖3所示，為液滴與梯度潤濕面接觸的最右端接觸點的位移圖，用于表征液滴的位移情況。從圖中看出0到65毫秒時間內(nèi)，液滴的位移約為5毫米，平均速度約為0.0769米每秒。

? ? ? ? 如圖4所示，為液滴頂點的位移圖。從圖中可以看到，液滴的頂點隨著時間的增加是不斷降低的，這是因為液滴的接觸角是逐漸變小的，液滴逐漸鋪展開來。但是從圖中也可以看到液滴的頂點位移是有一定波動的，而且波動的幅度和頻率隨著時間的增加是不斷降低的，這可能是因為液滴在自輸運的過程中是會發(fā)生抖動的，而且隨著液滴逐漸鋪展，液滴的重心在逐漸降低，因此頂點的波動也就逐漸減小。

? ? ? ? 如圖5所示，為液滴的鋪展直徑圖。由于液滴是逐漸鋪展的，因此從圖中可以看出，液滴的鋪展直徑隨著時間的增加在逐漸增加。液滴鋪展直徑在增加的過程中也有發(fā)生波動，且波動的幅值和頻率和圖4一樣，會隨著時間的增加而降低。

（二）三維模型

? ? ? ? 1.結(jié)果分析與討論

? ? ? ? 如圖6所示，為三維模型中液滴在不同時刻的位置圖，黑白圖例顯示的是梯度潤濕面的接觸角大小。從圖中可以看出液滴向右發(fā)生了明顯的位移。

? ? ? ? 如圖7所示，為三維模型液滴與梯度潤濕面接觸的最右端接觸點的位移圖，用于表征液滴的位移情況。圖7中所表現(xiàn)出來的規(guī)律和數(shù)值對應(yīng)的范圍與圖3吻合。

? ? ? ? 如圖8所示，為三維模型液滴頂點的位移圖。圖8中前期時間段中曲線的波動與圖4的曲線的波動規(guī)律基本吻合，但是圖8后期時間段中的曲線波動明顯減弱。造成這種情況的原因可能是，因為二維模型表征的是拉伸體，所以忽略了垂直于屏幕方向的液面對液滴的約束，導(dǎo)致圖4的波動相對劇烈，而三維模型充分考慮三維完整的液滴，相比于二維模型多考慮了垂直于屏幕方向（也就是三維的Y方向）對液滴的約束，因此圖8所表現(xiàn)出來的波動相對較弱。

? ? ? ? 如圖9所示，為三維模型液滴的鋪展直徑圖。圖9中曲線所表現(xiàn)出來的規(guī)律和圖5中的曲線的規(guī)律基本一致。

三、“曲率半徑差異”導(dǎo)致的液滴自輸運

? ? ? ? 1.模型的建立

? ? ? ? 如圖10所示，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]的所給定的幾何參數(shù)建立二維模型。模型中壁面接觸角為30度，空氣和液滴所使用的材料物性參數(shù)直接調(diào)用COMSOL的內(nèi)置材料Air和Water, liquid。

? ? ? ? 2.結(jié)果分析與討論

? ? ? ? 如圖11所示，（a）為本文模型所復(fù)現(xiàn)的結(jié)果，（b）為參考文獻(xiàn)[1]的結(jié)果。當(dāng)壁面接觸角為30度的時候液滴向錐形流道窄端發(fā)生自輸運，從圖中可以看到本文模型中液滴的運動情況和參考文獻(xiàn)中液滴的運動情況基本一致。

? ? ? ? 如圖12所示，為壁面接觸角為170度液滴的運動情況。其中（a）為本文模型的結(jié)果，（b）為參考文獻(xiàn)[1]的結(jié)果。當(dāng)壁面接觸角為170度的時候液滴向錐形流道寬端發(fā)生自輸運。

四、總結(jié)

? ? ? ? 基于COMSOL Mutiphysics，本文分別建立了“接觸角（表面潤濕性）梯度”和“曲率半徑差異”導(dǎo)致液滴自輸運現(xiàn)象的模型。其中對“接觸角（表面潤濕性）梯度”導(dǎo)致的液滴自輸運現(xiàn)象建立了二維和三維模型，“曲率半徑差異”導(dǎo)致液滴的自輸運現(xiàn)象的模型則是對參考文獻(xiàn)《錐形微通道內(nèi)液滴自輸運特性及力學(xué)驅(qū)動機(jī)制研究》[1]所進(jìn)行的基本復(fù)現(xiàn)。

? ? ? ? 從文中第二節(jié)的結(jié)果來看，只要模型是準(zhǔn)確的，那么其二維仿真和三維仿真的結(jié)果必定是存在對應(yīng)關(guān)系的。本人還有一篇文章也同時做了二維和三維的仿真，該文的結(jié)果也表明了二維模型和三維模型的對應(yīng)關(guān)系，具體的可詳見鏈接[2]。（如需獲取文中案例可添加本人QQ：2302260349）

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