摘 要

微流体技术是指在微尺寸芯片上构建化学或生物实验室，它在过去的几十年中迅猛发展，并且已经成为了生物医学、药学、化学、组织工程等领域的核心研究工具。针对单细胞分析等领域，学术界提出了液滴微流体技术。液滴微流体技术是近些年发展起来的一种全新的操纵微小体积液体的技术。直至今日，液滴微流体技术已经广泛应用于酶动力学研究与分析、纳米颗粒与分子合成等领域，并逐渐成为微流体技术的一个重要分支。

本文研究了T型结构和流动聚焦结构下微液滴的生成机制，分析了两相与微通道的相关物性参数对液滴生成机制的影响。同时，对Y型交叉结构微通道内液滴分裂机制进行了仿真模拟实验，分析了通道宽度、通道分叉角度等因素对液滴分裂机制的影响，对实现液滴的精确生成、操控及应用具有重要意义。

关键词：微液滴 生成 T型结构 流动聚焦结构 Y型交叉结构

Simulation and Analysis of Various Droplet Generation Methods

Abstract

Microfluidic technology refers to the construction of chemical or biological laboratories on micro-chip. It has developed rapidly in the past decades and has become a core research tool in biomedicine, pharmacy, chemistry, tissue engineering and other fields. In the field of single cell analysis, droplet microfluidic technology has been proposed in academia. Droplet microfluidic technology is a new technology for manipulating small volume liquid developed in recent years. Up till now, droplet microfluidics technology has been widely used in enzymatic kinetics, nanoparticles and molecular synthesis, and has gradually become an important branch of microfluidics technology.

In this paper, the generation mechanism of droplets in T-junction and flow-focusing is studied, and the influence of the physical parameters of two phases and microchannels on the formation mechanism of droplets is analyzed. In addition, the simulation of droplet splitting mechanism in Y-junction microchannel is carried out. The effects of channel width and channel bifurcation angle on droplet splitting mechanism are analyzed, which is of great significance for the precise generation, manipulation and application of droplets.

Key words: microdroplet; generation; T-junction; flow-focusing; Y-junction

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 液滴微流体技术 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 T型结构液滴生成机理的研究现状 3

1.2.2 流动聚焦结构液滴生成机理的研究现状 4

1.2.3 Y型交叉结构液滴分裂机理的研究现状 4

1.3 研究内容与论文结构 5

1.4 研究目的与意义 6

1.5 本章小结 6

第2章 液滴生成理论与方法 7

2.1 有限元方法 7

2.2 计算流体力学 8

2.3 流体控制方程 9

2.3.1 连续性方程 10

2.3.2 动量方程 11

2.3.3 能量方程 13

2.3.4 Level-set方程 14

2.4 本章小结 14

第3章 T型结构液滴生成机制的仿真与分析 15

3.1 T型结构微通道设计 15

3.2 T型结构模型仿真结果与分析 16

3.3 液滴生成机制的CFD模拟与分析 18

3.3.1 连续相流速的影响 18

3.3.2 连续相粘度的影响 20

3.3.3 两相间界面张力的影响 20

3.3.4 壁面接触角的影响 22

3.4 本章小结 22

第4章 流动聚焦结构液滴生成机制的仿真与分析 23

4.1 流动聚焦结构微通道设计 23

4.2 流动聚焦结构模型仿真结果与分析 25

4.3 液滴生成机制的CFD模拟与分析 26

4.3.1 连续相流速的影响 26

4.3.2 连续相粘度的影响 27

4.3.3 两相间界面张力的影响 28

4.3.4 壁面接触角的影响 29

4.4 本章小结 29

第5章 Y型交叉结构液滴分裂机制的仿真与分析 31

5.1 Y型交叉结构微通道设计 31

5.2 Y型交叉结构模型仿真结果与分析 33

5.3 液滴分裂机制的CFD模拟与分析 34

5.3.1 通道夹角的影响 34

5.3.2 通道宽度的影响 35

5.4 本章小结 35

第6章 总结与展望 36

6.1 总结 36

6.2 展望 37

参考文献 38

致谢 40

绪论

本章介绍了微流体技术、液滴微流体技术的历史和基本概念，阐述了液滴生成方法和三种液滴生成结构的国内外研究现状，指出了微液滴生成机制研究中存在的问题，介绍了本文的研究内容和论文结构，同时，通过讨论本文研究的目的与意义，为后文计算流体力学仿真模拟实验奠定了基础。

液滴微流体技术

近年来，科技的发展一直以集成和微型化为核心。在遵循摩尔定律的集成电路产业高速发展的加持下，从1943年重达30吨由18000个真空管组成的世界第一台通用计算机ENIAC逐渐演变成如今仅重130余克却集成了33亿晶体管的手机，这证明了集成的发展令我们整个社会从工业时代迈入到信息计算、甚至于未来的智能感知时代。

诸如手机、手环、平板电脑等这些以微型或集成为根本特征的科技成果已经使人们相隔千里就可以无障碍沟通，随时随地都可以办公。于是，人们对生活中更多方面展开了设想，比如，是否能够将疾病诊断设备都集成到一个便携式的装置中；是否能够将某个微型设备放置在厨房等地随时监测饮用水、果蔬中对人体有害物质的值，如果能够将上述功能实现，人们的生活质量将大幅提高。

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