网易首页 > 网易科技 > 网易科技 > 正文

高速摄像机揭示微流控通道内液滴接触、漂浮与弹跳机制

0
分享至

(原标题:高速摄像机揭示微流控通道内液滴接触、漂浮与弹跳机制)

使用千眼狼(Revealer)M220型高速摄像机与VOF数值模拟发现,连续相与分散相之间的微小密度差可在微通道输运过程中累积改变液滴轨迹,形成接触、漂浮和弹跳三种运动模式。

1实验背景

微流控系统中,液滴尺度通常处于微米量级,界面张力和黏性力占主导地位。由于Bond数通常远小于1,重力作用在液滴形成及局部界面演化分析中往往被忽略。然而,对于液滴在较长为通道中的持续运输,密度差产生的净体积力虽然微弱,却可能随停留时间累积为可观测的横向位移。

南京工业大学、浙江师范大学联合研究团队以密度较高的水相液滴在硅油连续相中的输运为对象,系统考察连续相黏度、流量及通道尺度对液滴沉降和近壁运动的影响。实验通过高速摄像机连续记录液滴生成、沉降、近壁减速及反弹过程,并结合数值模拟分析其动力学机制。

2实验设备

实验系统由微流控芯片、精密注射泵、千眼狼(Revealer)M220高速摄像机、均匀光源和计算机组成。

微流控芯片采用亚克力材料加工并通过热键合完成密封。芯片整体竖直放置,主通道轴线保持水平,使液滴主流方向与重力方向垂直,便于观测密度差引起的横向迁移。分散相为1 wt%的海藻酸钠水溶液,密度约1010 kg/m³,动力黏度约100 mPa·s;连续相为二甲基硅油,密度约963 kg/m³,黏度分别为10、50、100和200 mPa·s。两相密度差约为47 kg/m³。

Revealer M220高速摄像机与透射光源分别布置于芯片两侧。均匀背光提高液滴轮廓、通道壁面及近壁间隙的图像对比度,高速摄像机连续采集液滴位置、轮廓、形变及液滴—壁面距离变化,是液滴运动模式识别和轨迹分析的主要实验设备。

图片1.jpg

图1-Revealer M220高速摄像机、透射光源和竖直微流控芯片组成的液滴输运观测系统

3实验方法

水相与油相分别由精密注射泵注入十字交汇式微流控芯片,在流动聚焦作用下形成油包水液滴。实验通过调节连续相黏度、连续相流量和分散相流量,改变液滴尺寸、输运速度及通道停留时间。

高速摄像机连续记录液滴从生成位置进入主通道后的运动过程。以液滴最低点至通道下壁面的距离h 作为位置特征参数,通过逐帧图像分析获得液滴轨迹,并据此划分三种模式:

h持续减小并趋近于零,为接触模式;

h先减小后稳定在非零值,为漂浮模式;

h接近零后迅速增大,为弹跳模式;

数值模拟采用ANSYS Fluent 2021R1和VOF模型,分析液滴界面、速度场和压力场。实验结果进一步映射至We–Oh和Ca–Oh参数空间,用于建立液滴行为相图。

4实验数据解析

4.1高速摄像机识别三种液滴运动模式

高速图像序列显示,微液滴在通道内呈现接触、漂浮和弹跳三种典型输运模式。

接触模式下,液滴沿主通道运动的同时持续向下迁移,最终接近或接触下壁面;漂浮模式下,液滴先发生沉降,随后在未接触壁面的位置保持稳定间距并继续输运;弹跳模式下,液滴接近壁面后发生形变,随后迅速改变垂向运动方向。

高速摄像机通过保留完整的时间序列,明确区分了持续沉降、沉降后稳定、接触后反向运动。

图片2.jpg

图2-高速摄像机连续观测微通道液滴的接触、漂浮与弹跳三种运动模式,并通过液滴-壁面距离变化判别

4.2连续相黏度对液滴沉降轨迹的影响

在连续相流量为100 μL/min、分散相流量为4 μL/min的条件下,高速图像对比了连续相黏度分别为200、100、50和10 mPa·s时的液滴输运状态。

高速图像显示,连续相黏度为200 mPa·s时,液滴在观测范围内基本保持稳定高度;随着黏度降低,液滴沉降趋势逐渐增强;当黏度降至10 mPa·s时,液滴在较短输运距离内即明显接近下壁面。

该结果表明,连续相黏度决定了微小密度差能否在有限输运时间内转化为显著横向位移。较高黏度产生较强黏性阻力,可抑制液滴沉降;较低黏度则削弱阻尼作用,使密度差净体积力的累积影响更加明显。高速摄像机将不同工况下的静态位置转化为连续轨迹证据,避免将液滴初始生成位置差异误判为沉降效应。

图片3.jpg

图3-高速摄像机记录不同连续相黏度下微液滴的高速图像序列,显示黏度降低导致液滴沉降和近壁迁移增强

4.3漂浮模式的动态证据

高速图像表明,液滴进入主通道后先向下沉降,随后在未接触壁面位置停止下降,并保持稳定间距继续运输。因此,漂浮是沉降后形成新的动力学平衡。

数值模拟显示,液滴下方流道逐渐收缩,连续相在狭窄间隙内加速并形成局部高压。该压力作用与黏性阻力共同抵消微重力,使液滴维持稳定壁面间距。高速摄像机捕获了“先沉降、后稳定”的过程,数值模拟则解释了稳定状态形成的原因。

图片4.jpg

图4-高速摄像实验与VOF模拟对比展示微液滴先沉降后保持稳定壁面间距的漂浮模式

4.4弹跳模式的瞬态捕获

高速摄像机记录到液滴首先向下运动,接近壁面后发生压缩形变,随后在表面张力作用下恢复形态并获得向上速度。该过程表明,液滴弹跳并非刚性碰撞,而是液膜润滑、液滴惯性、界面形变和表面能释放共同作用的结果。

由于弹跳时间毫秒尺度,且位移尺度小,低时间分辨率成像易将其误识别为普通漂浮,借助高速摄像机,则完整记录了接近、形变、恢复和反弹全过程。

图片5.jpg

图5-高速摄像机记录微液滴接近壁面、压缩形变、界面恢复和向上反弹的完整瞬态过程

4.5高速成像数据支撑液滴行为相图

研究基于高速图像序列对各实验工况进行模式分类,并建立We–Oh和Ca–Oh液滴行为相图。虽然相图并非高速摄像机采集的原始图像,但其中每个实验点对应的接触、漂浮或弹跳标签均来源于高速图像判定。

相图显示,液滴状态由密度差、黏性力、惯性力、界面张力和液滴尺度共同决定。当Ca增大至约0.01以上时,液滴更易由接触模式转向漂浮模式;在较低Ca区域,密度差净体积力的影响更加明显,接触和弹跳模式更易出现。

图片6.jpg

图6-基于高速图像模式分类建立的微液滴We–Oh和Ca–Oh行为相图,标示接触、漂浮与弹跳模式的参数分布

5实验结论

本研究通过高速摄像实验与VOF数值模拟,揭示了微流控通道内微小密度差对液滴长期运输行为的累积影响。核心结论如下:

I. 千眼狼(Revealer)M220型高速摄像机提供的毫秒级时间分辨实况影像,揭示了微流控通道内液滴在密度差驱动下呈现的接触、漂浮、弹跳三种运动模式。

II. 连续相黏度是影响液滴沉降的重要参数。高黏度增强黏性阻力,可抑制横向迁移;低黏度则使微重力效应更加突出。液滴接近壁面后,液膜阻力和局部高压显著增加,可延缓接触,甚至使液滴保持稳定悬浮。特定低黏度和流量条件下,液滴还可通过界面形变与表面能释放产生反弹。

III. 对于微流控系统中的弱体积力、近壁运输及液滴碰撞问题,高速摄像机捕获的序列图像是连接瞬态形态、运动轨迹、受力机制与工况边界测量的实验基础,相关研究发现可为液滴微流控芯片的通道高度设计、连续相选型、流量窗口设定、壁面涂层保护及长期运行稳定性评估提供理论依据。

相关推荐
热点推荐
莫迪发声:令人悲痛

莫迪发声:令人悲痛

政知新媒体
2026-10-18 14:56:43
CBA疯狂一夜,3场爆冷,1场惊天大逆转,3支非季后赛球队掀翻劲旅

CBA疯狂一夜,3场爆冷,1场惊天大逆转,3支非季后赛球队掀翻劲旅

南海浪花
2026-10-18 06:20:16
重磅消息!德鲁日科夫卡已被解放

重磅消息!德鲁日科夫卡已被解放

星火聊天下
2026-10-18 12:59:54
比尔盖茨表示:他这辈子犯过最大的错误,就是把原本属于微软的移动生态,拱手让给了安卓

比尔盖茨表示:他这辈子犯过最大的错误,就是把原本属于微软的移动生态,拱手让给了安卓

元气科技馆
2026-10-10 21:56:30
为什么国家拼命让更多人交社保?

为什么国家拼命让更多人交社保?

职场资深秘书
2026-10-18 13:06:23
卫生大会定调“先让医院活下来”,医保控费要踩刹车了

卫生大会定调“先让医院活下来”,医保控费要踩刹车了

娱乐洞察点点
2026-10-18 12:24:17
下月起,欠缴社保最高罚3倍!“自愿放弃”的协议,签了也白签

下月起,欠缴社保最高罚3倍!“自愿放弃”的协议,签了也白签

A活着
2026-10-17 19:39:54
季前赛打完了,尼克斯这笔操作,真让人看不懂

季前赛打完了,尼克斯这笔操作,真让人看不懂

球毛鬼胎
2026-10-18 18:56:44
美国务卿谈中日关系,讲的话很有嚼头:美国必须和中国维持关系

美国务卿谈中日关系,讲的话很有嚼头:美国必须和中国维持关系

解锁世界风云
2026-10-18 19:03:47
过火面积等于3个东京!日企高管引燃边境草原大火,日媒集体沉默

过火面积等于3个东京!日企高管引燃边境草原大火,日媒集体沉默

行者聊官
2026-10-18 09:23:21
油价调整!突然反转,10月18日全国92/95号汽油“3连涨”,大涨近0.85元/升后“下跌变搁浅”,下次10月29日调价,预涨升至2.6毛/升!

油价调整!突然反转,10月18日全国92/95号汽油“3连涨”,大涨近0.85元/升后“下跌变搁浅”,下次10月29日调价,预涨升至2.6毛/升!

猪友巴巴
2026-10-18 15:50:06
昆明一事业编岗九千人报名,仅报名费达90万元,2027年国考计划招录‌3.57万人‌,预计录取率不到0.9%,税务系统占国考总招录人数67.28%

昆明一事业编岗九千人报名,仅报名费达90万元,2027年国考计划招录‌3.57万人‌,预计录取率不到0.9%,税务系统占国考总招录人数67.28%

村里的月光
2026-10-18 08:26:58
iPhone Duo黄牛价格暴跌:从5.8万跌至3000元

iPhone Duo黄牛价格暴跌:从5.8万跌至3000元

快科技
2026-10-17 21:20:13
成都宝妈打人后续!受害者缝18针,鼻骨打歪,曹某婚姻破裂已摆烂

成都宝妈打人后续!受害者缝18针,鼻骨打歪,曹某婚姻破裂已摆烂

陶寻爱说
2026-10-17 22:19:51
班主任坦言:如果你有一个上高中的孩子,这6个方面哪怕抓好一个,高考也稳了大半!

班主任坦言:如果你有一个上高中的孩子,这6个方面哪怕抓好一个,高考也稳了大半!

好爸育儿
2026-10-17 22:20:09
委内瑞拉代总统已明确表示:委政府与美国签署了61项油气框架协议,另外44项协议正进行谈判,未来五年将有近760亿美元投资进入委石油行业

委内瑞拉代总统已明确表示:委政府与美国签署了61项油气框架协议,另外44项协议正进行谈判,未来五年将有近760亿美元投资进入委石油行业

吉刻新闻
2026-10-18 14:13:39
大姑姐离婚后住进我家,还想霸占我主卧,老公怒:你有什么资格?

大姑姐离婚后住进我家,还想霸占我主卧,老公怒:你有什么资格?

清水家庭故事
2026-10-16 17:10:55
一对新人“请3休13”旅行结婚,带上一家7口自驾,一路派发喜糖,全程花费5万元,收获了无数陌生人的善意,网友:我上网就是为了看这些

一对新人“请3休13”旅行结婚,带上一家7口自驾,一路派发喜糖,全程花费5万元,收获了无数陌生人的善意,网友:我上网就是为了看这些

都市快报橙柿互动
2026-10-18 14:38:10
"沫子杯"正式定档10月28日!送沫子定制可加热杯子

"沫子杯"正式定档10月28日!送沫子定制可加热杯子

游民星空
2026-10-18 17:19:32
1天时间,娱乐圈又传2大噩耗,著名艺术家去世,吴越怒斥令人意外

1天时间,娱乐圈又传2大噩耗,著名艺术家去世,吴越怒斥令人意外

不似少年游
2026-10-18 11:38:13
2026-10-18 19:56:49

科技要闻

王江舟院士:6G到底是不是骗局 是不是收割

头条要闻

俄圣彼得堡石油码头遭乌袭击起火 年吞吐量超1250万吨

头条要闻

俄圣彼得堡石油码头遭乌袭击起火 年吞吐量超1250万吨

体育要闻

升级版杨瀚森再闯难关:当上开拓者第三中锋还得拼

娱乐要闻

郭麒麟被传领证,女方戳破谣言

财经要闻

马斯克:美债问题只能靠AI和机器人解决

汽车要闻

星瑞L PLUS限时售价10.97万元起 开启智混3L时代

态度原创

房产
教育
数码
时尚
艺术

房产要闻

利好密集落地+现房好房断档,广州楼市买入窗口,正在倒计时!

教育要闻

小升初当中,最难的恐怕就只有数学了

数码要闻

京东京造推出G70Pro双摄掌静脉智能门锁:支持AI语音对话,1882元(国补后1599元)

重阳寻香:一炉香,一枚囊,她们以手传香

艺术要闻

有一种大美,叫对称的中国!

无障碍浏览 进入关怀版
×