Alteration in contact line dynamics through competition between thermocapillary and electrothermal effects
本文研究了热流体窄通道中两种不混溶流体的热场辅助流动构型的接触线动力学。通道表面以预先设计的润湿性润湿，并将叉指电极安装在基底上以产生不均匀的电场。在这项研究中，相互作用的热毛细作用和摩擦力的界面动力学进行了详细的研究。前者是由表面张力梯度引起的，而后者是由介电常数和电导率梯度引起的。我们的研究表明，相对强度的界面力和摩擦力和它们的相互作用可以有效地用于控制毛细管填充时间以及流动动力学。对于相同强度的热毛细力和热毛细力（由单独的无量纲数表征），热毛细力占主导地位。然而，在某些润湿性下，界面力支配着润湿力，并使流体运动朝向通道的入口。
2018-04-20 physics.flu-dyn
Effect of interface dynamic deformations on instabilities of buoyancy-thermocapillary convection in a two-fluid two-layer system
通过数值实验研究了界面扰动对矩形空腔内浮力/热毛细对流不稳定性的影响。的计算进行了几个两液体两层系统考虑到以前公布的实验中使用的液体的属性。讨论了界面变形与Boussinesq近似的关系。结果表明，在某些系统中，在模型中包括界面扰动可以改变临界温度差约10%，产生不稳定或稳定的效果。界面振荡表现为驻波或行波，其波长可以从短波长变化到占据所有可用空间的单个波。粗略估计表明，在某些液-液体系中，界面振荡幅度可达几十微米。最不稳定的干扰模式，并进行了讨论。有人认为，在一些两层系统的不稳定性发展类似于分层混合层中的Holmboe不稳定性。
2022-04-18 physics.flu-dyn
Non-Newtonian fluid--structure interactions: Static response of a microchannel due to internal flow of a power-law fluid
本文研究了稳态下输送非牛顿流体的浅长微通道中的流固耦合问题。微通道具有线性弹性和顺应性的顶壁，而其三个其他壁是刚性的。在微通道内流动的流体具有由幂律流变模型描述的剪切依赖粘度。利用润滑理论求解了长而浅的微通道内的流动问题。对于结构问题，我们采用两种板理论，即Kirchhoff-Love薄板理论和Reissner-Mindlin一阶剪切变形理论。动水压力作为分布荷载作用在软顶板上，耦合了流动和变形问题。在我们的微扰（润滑理论）的方法，我们确定的流量和压力梯度，这是一个非线性的一阶常微分方程的压力之间的关系。从该微分方程的解，得出非牛顿微通道FSI中的所有其他感兴趣的量。通过数值算例，分析了流固耦合强度和板厚对微通道压降的影响。通过使用商业计算工程工具对非牛顿微通道FSI进行直接数值模拟，我们对流量-压降关系和顶壁结构变形轮廓的数学预测进行了基准预测。在这样做的时候，我们也建立了我们的微扰理论的适用性的限制。
2018-12-20 physics.flu-dyn
Transient Electroosmosis of a Maxwell fluid in a Rotating Microchannel
对旋转微通道中麦克斯韦流体的瞬态电渗流进行了解析和数值研究。由于旋转和流变效应的结合，我们在瞬态过程中产生了复杂的流动动力学。我们显示的制度下，我们的分析举行的最重要的操作。我们还揭示了一些光的体积流量特性所规定的基本流动物理。解析解与数值解进行了比较。我们相信，从目前的研究结果可能有深远的应用在生物流体微系统中的流体，如血液，粘液和唾液可能涉及。
2017-01-17 physics.flu-dyn
Transient behavior of the thermocapillary migration of drops under the influence of deformation
研究了具有非平凡变形的液滴的瞬态热毛细迁移。采用有限差分法耦合求解不可压纳维-斯托克斯方程和能量方程，采用波前跟踪法跟踪可变形液滴运动界面。在热区，液滴的变形随界面张力的减小而增大。为了表明温度对界面张力的影响，引入了局部毛细管数（$Ca_l$）。结果表明，当液滴密度小于或大于体相流体密度时，液滴速度随液滴变形的增大而减小或增大。
2011-12-07 physics.flu-dyn
Combined effect of Fluid Rheology and Surface Modification on Eletrokinetic Energy Generation through Finite Length Microchannel
电动能量转换为片上应用提供了能量收集和存储的方案。然而，动电能转换的主要缺点是其转换效率低。研究人员正在寻找提高这种效率的方法。基于同样的动机，我们研究了通过施加表面改性和采用非牛顿流体在恒定的两端压差下流过微通道来产生流动电位。剪切稠化液体倾向于减少电动效应，而剪切稀化液体则有利于电动效应。此外，具有超疏水表面提高了所产生的流动电位的大小。我们研究了流体流变学和表面改性对动电能产生的综合影响。作为我们联合研究的结果，我们已经了解了关于在疏水微通道中使用非牛顿流体的有趣见解。对于幂律指数低于0.7的流体，疏水表面不会提高效率。本研究的结果可用于选择流体-基质组合，以优化电动发电效率。
2022-08-31 physics.flu-dyn
Creeping thermocapillary motion of a Newtonian droplet suspended in a viscoelastic fluid
本研究针对微重力下黏弹性流体中牛顿液滴的热毛细运动问题，采用双重摄动展开结合Oldroyd-B模型推导速度与形状表达式，揭示了Weissenberg数、黏度比等对液滴运动的影响规律，小参数下理论预测与数值模拟吻合良好。
2023-12-13 physics.flu-dyn
The influence of surfactants on thermocapillary flow instabilities in low Prandtl melting pools
低普朗特数液体池中的流动与各种技术应用有关，并且迄今为止仅对纯流体的情况进行了研究，即具有恒定的负表面张力温度系数$\partialγ/\partial T$。含有表面活性剂的实际流体具有温度依赖性$\partialγ/\partial T > 0$，其在临界温度$T_c$下可将符号改变为$\partialγ/\partial T < 0$。在热毛细力是主要驱动力的情况下，这可能对所产生的流动模式和相关的热传递产生巨大影响。在这里，我们调查的稳定性等流动的五个Marangoni数范围内的$2.1\times 10^6 \leq Ma \leq 3.4\times 10^7$使用动态大涡模拟（LES），我们验证对高分辨率的直接数值模拟（DNS）。我们发现，这五种情况下跨越所有的流动状态，即稳定的层流在$Ma \leq 2.1\times 10^6$，过渡流与旋转不稳定性在$Ma = 2.8\times 10^6$和$Ma = 4.6\times 10^6$和湍流在$Ma = 1.8\times 10^7$和$Ma = 3.4\times 10^7$。
2016-06-18 physics.flu-dyn
Thermocapillary flows and interface deformations produced by localized laser heating in confined environment
研究了连续高斯激光作用下热毛细应力引起的流体-流体界面变形。我们表明，液体界面的变形方向强烈依赖于所涉及的液体层的粘度和厚度。我们首先调查的情况下，分离两个不同的液体层的界面，而第二部分是专门的薄膜由两个外层相同的液体挤压。这些结果是预测的应用领域，局部热毛细应力被用来产生流动或变形的限制，如optofluidics存在的接口。
2012-03-08 cond-mat.soft physics.class-ph physics.flu-dyn
Motion of an air bubble under the action of thermocapillary and buoyancy forces
提出了一种新的处理表面张力梯度驱动流动的方法。使用一个开源的Navier-Stokes方程求解器，{ \it Basilisk}，和目前的配方，我们调查周围介质中的液滴/气泡的热毛细迁移。已经进行了几个验证练习，这表明，目前的求解器是一个强大的调查界面流动与可变表面张力。众所周知，由于界面张力而产生的切向和法向表面力的数值模拟是一项具有挑战性的任务。我们已经表明，本方法不需要人工涂抹的表面张力的界面，从而预测的终极速度的气泡/液滴迁移由于施加的温度梯度的理论值非常好。它还表明，本求解器提供了准确的结果表现出的重力和热毛细力的问题，同时，和有用的高粘度和密度比的系统。
2018-06-18 physics.flu-dyn
Numerical analysis of dynamic electro-osmotic flows of non-Newtonian fluids in rectangular microchannels
在连续介质流体力学框架下，对矩形微通道内典型非牛顿流体在直流和交流电场作用下的瞬态电渗进行了数值分析。采用幂律本构模型来表示流体的动力粘度。采用有限元方法模拟了矩形微通道内幂律电渗液体流动的瞬态启动特性。在直流电场作用下，随着幂律流体流动特性指数的降低，流体对外部电场的惰性增强，稳态速度分布也变得更接近于塞状。数值计算也证实了广义Smoluchowski滑移速度的有效性，它可以作为对应的经典Smoluchowski滑移速度时，处理非牛顿幂律流体的电动流动。在交流电场作用下，随着流体行为指数的增大，振荡过程中流体的加速作用更加明显，振荡速度的幅值更接近广义Smoluchowski速度的幅值。这些动力学预测对于设计操纵非牛顿流体如生物流体、聚合物溶液和胶体悬浮液的微流体装置具有实际意义。
2015-07-22 physics.flu-dyn
Experimental and theoretical investigation of a low-Reynolds-number flow through deformable shallow microchannels with ultra-low height-to-width aspect ratios
在芯片实验室和MEMS社区中广泛使用的可变形微流体的新兴领域提供了一个研究相对未被研究的物理学的机会。这项工作的主要目的是提供一个更深入的了解底层的耦合流固相互作用的低雷诺数的流体流动通过一个浅的可变形的微通道具有超低的高宽比。所制造的高度为几微米、宽度为几毫米的可变形微通道，其纵横比以前的报道小大约两个数量级，使我们能够研究从小的壁偏转（其中可变形微通道类似于其相应的刚性微通道）到比原始高度大得多的壁偏转的各种不同状态的流体流动特性，在那里出现了与身高无关的特征行为。微通道的几何形状，膜的性能，和跨通道的压力差的影响是由一个集总变量称为灵活性参数。在跨不同通道的相同压降下，它们的几何形状的任何差异都反映在通道的柔性参数中，这可能导致装置在流体-固体特性的不同状态下操作。另一方面，对于具有给定膜特性和通道几何形状的制造的微通道，施加的压差的足够大的变化可以将流动结构行为从一个特征状态改变到另一个特征状态。通过适当引入柔度参数和无量纲体积流量，得到了流体流过任意长而浅的可变形微通道的主曲线。本文还提出了一个判断是否应考虑流固耦合的准则。
2018-09-13 physics.flu-dyn
Modeling thermocapillary microgear rotation and transfer to translational particle propulsion
本研究建立耦合Navier-Stokes方程与传热的瞬态数值模型，探究微齿轮热毛细旋转规律，拓展几何不对称性概念实现微米粒子定向平动推进，明确雷诺数与推进效率的相关性，填补了平动推进几何对称性破缺研究的空白。
2024-03-06 physics.flu-dyn
Subnanometer imaging and controlled dynamical patterning of thermocapillary driven deformation of thin liquid films
探索和控制决定液体电介质薄膜形貌的物理因素是物理学、应用数学和工程学研究领域的一个重要课题，也是许多技术进步的一个关键方面。液体介质薄膜形貌的可视化和局部厚度测量是表征和解释底层过程的重要工具。然而，通过标准光学方法实现相对于亚纳米厚度变化的高灵敏度是具有挑战性的。我们提出了一种组合成像和光学图案化投影平台，该平台能够光学诱导薄液体介电膜中的动态流动，并等离子体地解决由此产生的形貌和厚度的变化。特别是，我们采用流体中的热毛细效应作为一种新的基于热的方法来调谐等离子体共振和可视化薄液体介电膜中的动力学过程。所提出的结果表明，光诱导的热毛细流动可以形成和翻译液滴和创建压痕图案的需求在薄的液体介电薄膜的亚波长厚度和等离子体显微镜可以成像这些流体动力学过程沿垂直方向的亚纳米灵敏度。
2019-08-26 physics.flu-dyn physics.optics
Data-Driven Surrogate Modeling for Micromixing of Non-Newtonian Fluids in Sinusoidal Converging-Diverging Microchannels
Indian Institute of Petroleum and Energy（印度石油能源研究所）；Indian Institute of Science（印度科学学院）
本研究针对正弦收敛-发散微通道中非牛顿流体微混合难题，通过高保真模拟构建GPR代理模型并耦合NSGA-II算法，实现了兼顾混合性能与压降的微通道多目标优化设计。
2026-08-11 physics.flu-dyn
Electroosmotic flow of viscoelastic fluids in deformable microchannels
非牛顿流体在可变形微通道中的电渗流对于理解生理流动中的流体动力学具有重要意义。这些微通道的性能取决于承载能力，承载能力表示装置可以承受的最大负载量。虽然大量的研究工作是针对耦合的电动力学与基板的变形能力，相应的增强性能仍然是难以捉摸的。为此，采用基板的顺应性，流体动力学和电动调制之间的复杂耦合，我们已经分析了可能的来源的流变前提下的粘弹性流体具有密切的相似之处，通常用于几个生物和微流体应用中的生物流体在可变形的微通道中的流动物理的变化。本研究表明，通过在有利的制度下操作的参数，如聚合物的浓度和分子量，牛顿溶剂的质量，和电解质的浓度，可以实现大幅增加的粘弹性流体的可变形微通道的承载能力相比，其牛顿对应。我们相信，目前的理论框架可以是非常重要的电动调制仿生微流控器件的设计。
2021-08-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The influence of surface deformation on thermocapillary flow instabilities in low Prandtl melting pools with surfactants
材料激光加工过程中，低普朗特数熔池中的热量和流体流动对边界条件非常敏感，且响应是高度非线性的。先前的研究表明，在高Marangoni数下，具有表面活性剂的熔池中的流体流动可能是不稳定的。在熔池内金属液流动的数值模拟中，表面变形及其对材料吸收能量的影响往往被忽略。然而，这种简化的假设可能会降低与表面变形的数值预测的准确性水平。在本研究中，我们进行了三维数值模拟，实现表面变形的影响，在激光熔化的金属合金与表面活性剂的热毛细流动不稳定性。我们的计算模型是基于有限体积法，并利用体积的流体（VOF）的气体-金属界面跟踪方法。此外，我们采用了动态调整的热源模型，并讨论其对熔池行为的数值预测的影响。我们的研究结果表明，包括自由表面变形的数值模拟增强了预测的流动不稳定性，因此，预测的固液界面形态。
2020-09-24 physics.app-ph physics.flu-dyn
Thermocapillary migration of an odd viscous droplet on a uniformly heated surface: A lattice Boltzmann study
School of Mathematics and Physics, China University of Geosciences（中国地质大学数学与物理学院）
本研究通过格子玻尔兹曼方法揭示奇粘性使液滴在均匀加热表面上自发迁移，方向取决于奇粘性符号，速度受接触角和粘度比影响，且可逆重力爬升。
2025-10-16 physics.flu-dyn
Conjugate Heat Transfer Effects on Bubble Growth During Flow Boiling Heat Transfer in Microchannels
本文通过数值模拟研究微通道流动沸腾中共轭传热对气泡生长的影响，发现底壁厚度和固体材料会显著改变气泡生长速率与传热性能。
2024-11-24 physics.flu-dyn
Mesoscale particle-based simulations of flow in expansion-contraction microchannels at low Reynolds number
University of Illinois, Urbana–Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Auburn University（奥本大学）
本文通过粒子基方法研究低雷诺数下微通道中流体流动，比较了DPD和MPCD模拟与系列解的准确性，发现其在多数情况下表现良好，但系列解在微通道长度短或振幅大时失效。
2025-08-28 physics.flu-dyn
Experimental study of dynamic wetting behavior through curved microchannels with automated image analysis
针对电力电子密封微裂纹内流体渗透的可靠性问题，提出一种可分析非透明样品微通道内动态润湿的高精度自动化图像处理方法，验证了分子动力学理论对高曲率微通道润湿行为的描述有效性。
2024-06-07 physics.flu-dyn
A discussion on the critical electric Rayleigh number for AC electrokinetic flow of binary fluids in a divergent microchannel
本研究基于tanh模型推导了新的电瑞利数以量化电场体积力、流体粘度与离子扩散率的关系，并通过理论与实验证明其能更准确预测发散微通道中交流电动流动的临界值，揭示了该流动更不稳定且更适用于微混合器或反应器。
2024-07-30 physics.flu-dyn
Fluid wetting and penetration characteristics in T-shaped microchannels
本研究通过实验和图像处理，揭示了T形微通道中几何参数对流体润湿与渗透的影响，发现小裂隙、锐边缘和高流速可增强界面钉扎并阻止渗透，且倒角半径影响更显著。
2024-11-11 physics.flu-dyn
Secondary flows of viscoelastic fluids in serpentine microchannels
二次流是无处不在的通道流，其中小的速度分量垂直于主速度出现，由于复杂的通道几何形状和/或流动本身，如从惯性或非牛顿效应等，我们在这里调查无惯性二次流的粘弹性流体在弯曲的矩形截面和恒定的，但交替曲率的微通道：即所谓的“蛇形通道”几何形状。数值计算（Poole等人，2013年）表明，在这种几何结构中，在不存在弹性不稳定性的情况下，稳定的二次流形成，在通道横截面的平面中呈现两个反向旋转的涡流的形状。我们提出了第一个实验可视化证据和表征这些稳定的二次流，使用互补的microPIV在平面的通道，和共聚焦可视化的染料流运输的横截面平面。我们表明，所测得的流线和相对速度大小的二次流是定性的协议与数值计算结果。除了我们的技术被广泛适用于微通道中的三维流动结构的表征，我们的研究结果是重要的了解蛇形粘弹性流动的不稳定性的发病。
2019-02-12 physics.flu-dyn
Dynamics of vapor bubble train in flow boiling heat transfer in microchannels
State Key Laboratory of Engines, Tianjin University（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室）；National Industry-Education Platform of Energy Storage, Tianjin University（天津大学国家储能产教融合创新平台）
通过数值模拟研究微通道中气泡列的形成与演化，揭示了初始气液体积比、热通量和潜热对气泡频率、生长速率及壁面温度波动的影响。
2026-06-02 physics.flu-dyn
Continuous surface force based lattice Boltzmann equation method for simulating thermocapillary flow
本文扩展了具有连续表面力（CSF）的格子Boltzmann方程（LBE）来模拟热毛细流动。该模型是在我们以前的无热两相流CSF LBE的基础上设计的，其中界面张力和Marangoni应力作为不同相之间的界面相互作用的结果由CSF的概念来描述。在该模型中，不同相之间的尖锐界面被一个狭窄的过渡层隔开，相分离的动力学和形态演化可以用一个序参量visa Cahn-Hilliard方程描述，并在LBE框架下求解。温度场的标量对流扩散方程也用热LBE求解。该模型进行了验证，热两层Poilluille流，和两个叠加的平面流体在可忽略不计的小雷诺数和Marangoni数的热毛细驱动的对流，其中有解析解的速度和温度。然后模拟了二维可变形液滴的热毛细迁移。数值结果表明，本文的LBE预测结果与解析解/其它数值结果一致。
2014-12-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Tip streaming from drops flowing in a spiral microchannel
这段流体动力学视频展示了水滴在对数螺旋形的微通道中被平均油流输送。通道形状意味着液滴在更靠近螺旋中心流动时经受增加的剪切和伸长。到达一个临界点时，在液滴后面观察到一个长的奇异尾巴，表明液滴正在加速。这就是所谓的“小费流”。
2008-10-09 physics.flu-dyn
Shape transitions of RBC under oscillatory flows in microchannels
本文采用DPD与IBM耦合的混合方法模拟微通道振荡流中红细胞的形态转变，证明调节入口波形可控制其瞬态动力学，服务于细胞操控与病理识别。
2023-07-13 physics.flu-dyn
Measuring arrangement and size distributions of flowing droplets in microchannels through deep learning
本研究利用深度学习液滴追踪工具分析微通道中高浓度乳液液滴的形变与排列，发现存在使形变最小且类晶体排列最大的最佳开口角度，且注入速率影响乳液尺寸和堆积分数，为微芯片设计提供指导。
2024-02-13 physics.flu-dyn
Viscoelastic control of acoustic particle migration and trapping in microchannels
Indian Institute of Technology Madras（印度马德拉斯理工学院）
研究粘弹性流体中声学辐射力与流体诱导拖曳的竞争作用，揭示粘弹性对粒子动态的调控机制，提出通过德布罗意数和粘性扩散数控制粒子迁移与捕获的新方法。
2026-05-09 physics.flu-dyn
Pressure-driven Nitrogen Flow in Divergent Microchannels with Isothermal Walls
在微观和纳米尺度下，受限几何结构中的气体流动和传热与宏观尺度下的气体流动和传热有很大不同，这主要是由于非平衡效应，如速度滑移和温度跳跃。非平衡效应随着流体特征长度尺度或气体密度的减小而增强，导致标准Navier-Stokes-Fourier（NSF）方程在预测热场和流场时失效。采用直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）研究了压力驱动下不同发散角和等温壁面的发散微通道内的氮气流动。从数值模拟得到的热场进行了分析，不同的入口到出口的压力比（1.5 $\leq Π\leq$ 2.5），切向动量调节系数和克努森数（0.05 $\leq \mathrm{Kn} \leq$ 12.5），覆盖滑移到自由分子稀疏制度。预测了微通道中的热场，可视化了热线，并讨论了微通道中的传热物理。由于稀薄效应，热流的方向在很大程度上与质量流相反。然而，热梯度和压力梯度之间的相互作用决定了净热流方向，热梯度和压力梯度受微通道的几何构型和所施加的边界条件的影响。此外，热分离和冷到热的热传递（也称为反傅立叶热传递）在发散微通道的发生进行了解释。
2021-04-14 physics.flu-dyn
Electrokinetic oscillatory flow and energy conversion of viscoelastic fluids in microchannels: a linear analysis
本文研究了粘弹性流体在振荡压力梯度作用下的动电流动，特别关注流动中的共振行为。控制方程被限制为线性区域，以便可以解析地求解速度场和流动势场。基于粘弹性剪切波的相互作用，我们解释了共振的机制，并推导出一个临界Deborah数Dec = 1/4，它决定了共振的发生。使用麦克斯韦流体模型，我们表明，共振增强电动效应，并导致电动能量转换效率的显着增加。然而，通过应用Oldroup-B流体模型，它揭示了即使对于非常小的牛顿溶剂贡献，效率的放大也被抑制。这可能是关于Bandopadhyay & Chakraborty（Appl. Phys. Lett.，Vol.101，2012，043905）在文献中不可用。此外，溶剂粘度的阻尼效果是更显着的高阶共振。通过引入多重弛豫时间因子，我们发现流动势场和流量的共振发生仍然受Dec的影响。对于多模情况下的效率，共振的发生受Deborah数De和模数N的影响，当De较小或N较大时，共振消失。此外，在大De下，流动势场与EDL厚度之间存在一种新的标度关系。
2021-01-29 physics.flu-dyn
Thermocapillary migration of a self-rewetting droplet on an inclined surface: A phase-field simulation
本文用相场格子玻尔兹曼方法模拟自润湿液滴在倾斜表面的热毛细迁移，发现马兰戈尼数增大加速迁移并导致变形，亲水表面向高表面能区迁移，疏水表面相反，且高黏度比下液滴内出现双涡旋。
2024-07-17 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Particle and thermo-hydraulic maldistribution of nanofluids in parallel microchannel systems
微尺度多通道装置中的流体不均匀分布需要深入理解，以实现优化的流动和传热特性。一个彻底的计算研究已被执行，以了解浓度和热工水力分布不均的纳米流体在平行的微通道系统使用欧拉拉格朗日双相模型。研究表明，纳米流体不能被视为均匀的单相流体在这样复杂的流动域和有效的属性模型无法预测的性能参数急剧下降。为了理解颗粒相的分布，提出了一种新的浓度分布不均因子。已经观察到，颗粒的分布基本上不需要遵循流动模式，从而导致比从均质模型预期的更高的热性能。颗粒分布不均已被最终证明是由于各种迁移和扩散现象，如斯托克斯阻力，布朗运动，热泳漂移等颗粒分布对冷却性能的影响已被说明和智能流体效应（降低幅度的最高温度）已被观察到，并提出了一个数学模型来预测在这种流动的几何形状增强冷却性能。介绍了离散相方法在纳米流体热工水力学建模中的有效性，并对纳米流体在复杂流场中的行为进行了深入的研究。
2015-12-14 physics.flu-dyn
Growth of Elongated Vapor Bubbles During Flow Boiling Heat Transfer in Wavy Microchannels
本研究通过数值模拟对比直微通道，发现波状微通道能加速汽泡生长、增强传热，局部努塞尔数最高可达直通道的2.6倍。
2025-04-19 physics.flu-dyn
Inertial flow around obstacles in microchannels
再循环尾迹的形成是钝体惯性绕流的一个显著特征。在均匀无界流中，在旋涡脱落开始之下，再循环尾流区域中的流体在封闭的平面轨道上移动。因此，定常尾流是流动中的隔离区，并且不与自由流交换流体。在这项工作中，我们利用格子玻尔兹曼模拟和微流体实验来证明，在微通道惯性流动的牛顿流体，再循环尾流被取代的三维涡流。螺旋流线在障碍物后面的涡流和自由流之间产生连续的流体交换。流动惯性由定义为$Re = \frac{u_{max}D_{y}}ν$的雷诺数表示，其中$u_{max}$是通道入口中的最大流体速度，$D_{y}$是特征障碍物长度，并且$ν$是流体运动粘度。我们讨论了$Re$、障碍物形状和壁面约束对流体进入旋涡的影响。此外，我们表明，在流动的稀悬浮液的颗粒周围的障碍物，流体进入涡流也可以导致在捕获的颗粒。
2017-10-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Ultrasonic Oscillatory Two-phase Flow in Microchannels
通过实验和数值模拟研究了微通道内超声振荡两相流的输运特性。这项工作的灵感来自于在一个创新的超声波织物干燥装置中观察到的流动，该装置使用具有微通道的压电双晶片换能器，其中水-空气两相流通过谐波振荡的微通道输送。由于水和空气在振动周期中相互作用，流动表现出高度不稳定的行为，使其与微通道中的稳定流动有显着不同。将湍流雷诺平均Navier-Stokes（RANS）k- $ω$模型与相场法相结合，实现了两相流的计算流体动力学（CFD）模拟。数值结果得到了实验的定性验证。通过参数研究，我们专门检查了振动条件的影响（即，频率和振幅）、微通道锥角和壁表面接触角（即，润湿性）对通过微通道的流速的影响。研究结果将为微通道内存在振荡或一般非定常两相流的场合提供参考。
2020-12-07 physics.flu-dyn
Sustained optothermal propulsion at the air-water interface by pulsating thermocapillary instability
Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto Nazionale di Ottica (INO)（意大利国家研究委员会，光学研究所）
通过光纤毛细管实现空气-水界面高速光热驱动，利用光控热对流波推动宏粒子，达到高旋转速度和稳定轨道运动，适用于微流体和微电机应用。
2026-09-15 physics.app-ph physics.flu-dyn physics.optics
Spontaneous motion of a passive fluid droplet in an active microchannel
本文通过数值模拟研究了被动液滴在覆盖活性凝胶的微通道中的自发运动，揭示了单侧与双侧活性层对速度场对称性及液滴形变的影响，并证明锚定条件可调控自发流动结构，为新型微流控器件设计提供依据。
2023-08-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamics of electroosmotic flow in a microchannel with porous wall
具有多孔壁的微通道具有各种微流体应用，包括离子电渗、诊断装置等。为了具有此类装置的高效且更好的设计，需要建立微通道中的速度场的精确量化。在本研究中，在具有多孔壁的微通道中的速度场的解析解的情况下，电渗流和压力驱动的组合使用摄动技术得到的牛顿流体。速度分布被减少到众所周知的解决方案的三个渐近的情况下，即，纯电渗流和纯压力驱动流在不渗透的管道，以及压力驱动流与渗透壁。还生成了沿通道长度的压降分布。操作参数的影响，即，研究了壁面抽吸速度、电解质浓度和通道半高对速度场和压力场的影响。
2019-02-11 physics.flu-dyn
Fluid-Structure Interaction in Deformable Microchannels
微流体装置由PDMS构造而成，其具有单个通道，所述单个通道具有作为薄柔性膜的短部分，以研究在流动流体和可变形壁之间产生的复杂的流体-结构相互作用。膜的变形和压降的实验测量进行了比较与预测的二维和三维的计算模型，数值求解方程的弹性耦合的膜的运动方程的流体。它示出的二维模型，它假设一个有限厚度的弹性梁，是无限宽，近似合理以及三维模型，并在良好的协议与实验观察的膜的轮廓，当膜的宽度是超过一个临界厚度，确定为大约两倍的膜的长度。
2012-03-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Simulation of fluid flow in hydrophobic rough microchannels
表面效应在微流体设置中变得重要，因为表面与体积的比率变大。在这样的设置中，与系统的长度尺度相比，表面粗糙度不再小，并且壁的润湿特性对流动具有重要影响。然而，关于表面粗糙度和疏水流体-表面相互作用的相互作用的知识仍然非常有限，因为这些性质在实验中不能容易地解耦。我们调查的问题，通过晶格玻尔兹曼（LB）模拟粗糙的微通道与可调的流体壁相互作用。我们引入了一个“有效的无滑移平面”在峰和谷的表面之间的中间位置，并观察如何的壁的位置可能会改变由于表面粗糙度和疏水相互作用。我们发现，在高斯分布粗糙度的情况下，有效壁的位置线性地依赖于分布的宽度。此外，我们能够表明，粗糙度创建一个非线性效应的滑移长度的疏水边界。
2008-02-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamic Ratchet for Tracer Transport in a Soft Microchannel: A Detailed Analysis
Indian Institute of Science Education and Research（印度科学教育研究学院）
本文分析了软微通道中局部反演对称性破缺的流体流动模型，揭示了在特定条件下微米级示踪粒子在起伏速度场中发生的流体动力学棘轮效应。
2025-10-14 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Thermocapillary effect on the cross-stream migration of a surfactant-laden droplet in Poiseuille flow
本文分析了在不溶表面活性剂和沿流动方向线性变化的温度场的共同影响下，粘性液滴在无界Poiffille流中的运动。在忽略流体惯性、热对流和形状变形的情况下，通过渐近分析得到了无外力作用下的液滴速度。目前的研究集中在两个限制情况下的表面活性剂传输：（i）小的表面Peclet数，和（ii）高的表面Peclet数。热毛细作用引起的Marangoni应力，其强度相对于粘性应力的热Marangoni数表示，有很大的影响表面活性剂在液滴表面上的分布。温度场不仅影响液滴的轴向速度，而且对液滴的横流速度也有显著影响，尽管温度梯度与Poiffille流动方向一致。当所施加的温度在Poiffille流动的方向上增加时，液滴朝向流动中心线迁移。轴向和横流速度分量的大小随热Marangoni数的增加而增加。然而，当所施加的温度在Poiffille流的方向上降低时，轴向和横向流速度分量的大小都可以随着热Marangoni数而增加或减少。最有趣的是，液滴要么朝着流动中心线或远离it.Present研究表明，超过该液滴远离流动中心线的热Marangoni数的临界值，这是在形成鲜明对比的表面活性剂负载的液滴在等温流中的液滴总是朝着流动中心线的运动。
2017-01-11 physics.flu-dyn
Flow structure of compound droplets moving in microchannels
化合物液滴可用于物质包封和材料区室化，以在许多应用中实现对相关过程的精确控制，例如生物分析、药物制造和材料合成。复合液滴中的流场直接影响这些应用的性能，但通过实验测量它们具有挑战性。在这项研究中，在轴对称微通道中的混合液滴的流动模拟使用有限体积法，和界面捕捉使用水平集方法与表面张力占通过鬼流体方法。水平集方法和虚拟流体方法的结合减少了在界面附近非物理地产生的杂散电流，并实现了对复合液滴内复杂流场的精确模拟。研究了复合液滴的形状、涡结构、速度场和偏心率，并分析了复合液滴尺寸、核心液滴尺寸、毛细管数和粘度比等关键无量纲参数的影响。本文还研究了多层复合液滴的流动结构。该研究不仅揭示了复合液滴在微通道中运动的复杂流动结构，而且可以用于实现对复合液滴在广泛应用中相关过程的精确控制。
2018-01-15 physics.flu-dyn
Unsteady fluid--structure interactions in a soft-walled microchannel: A one-dimensional lubrication model for finite Reynolds number
本文建立了一个考虑横向弯曲刚度和非线性轴向拉伸的梁方程与二维不可压纳维-斯托克斯方程沿通道高度深度平均得到的一维流体模型耦合的一维非定常流体-结构相互作用（FSI）模型。具体地，纳维-斯托克斯方程在与微流体相关的粘性润滑极限中缩放。由此产生的一组耦合的非线性偏微分方程数值求解，通过隔离的方法，采用全隐式时间步进。我们通过改变简化雷诺数$Re$（这必然改变Strouhal数$St$）来探索该示例微通道系统的静态和动态FSI行为，同时我们保持几何形状和修改的无量纲杨氏模量$Σ$固定。在稳定状态下，数量级分析（平衡论证）表明，在流中的轴向平均压力，$\langle P\rangle$，表现出两种不同的缩放制度，而通道的顶壁的最大变形，$H_{\mathrm{max}}$，可以落入四个不同的制度，这取决于$Re$和$Σ$的大小。这些制度的物理解释是由于流体流动中的惯性力和粘性力之间的竞争，以及在弹性壁的弯曲阻力和张力。最后，通过模态分析评估了稳定膨胀微通道形状的线性稳定性，显示了许多高度振荡但稳定的模式的存在，这进一步突出了模拟非稳态FSI的计算挑战。
2020-05-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Start-up flow in shallow deformable microchannels
微流体系统通常用由于流体应力而变形的软材料制造。近年来对浅变形微通道内稳态流动的实验和理论研究表明，流量是上软壁变形引起的压降的非线性函数。在这里，我们扩展了Christov等人的稳态理论。（2018）通过考虑从静止开始的启动流量，无论是在压力控制配置还是在流量控制配置中。首先确定的特征尺度和相关参数的瞬态流动，其次是发展的非稳态润滑理论假设流体的惯性可以忽略不计，和上壁可以建模为一个纯弯曲下的弹性板满足Kirchhoff-Love方程。该模型是由两个非几何无量纲数：一个符合性参数$β$，它比较的上壁的特征位移与未变形的通道高度，和一个参数$γ$，它比较的惯性与其抗弯刚度的固体。在可忽略的固体惯性的限制，$γ\to 0$，准稳态模型，其中流体压力满足非线性扩散方程，与$β$作为唯一的参数，它允许在压力控制条件下的自相似的解决方案。这种简化的润滑描述与耦合的三维数值模拟的Navier方程的弹性固体和纳维-斯托克斯方程的流体进行了验证。当模型背后的假设得到满足时，一致性非常好。出乎意料的是，即使在固体和液体惯性不能忽略的情况下，我们也能找到相当一致的结果。
2019-06-18 physics.flu-dyn
Precise manipulation of longitudinal dynamic self-assembly of particles in the viscoelastic fluid within a straight microchannel
缺乏一种简单易行的微通道内粒子纵向动态自组装的方法是将该技术广泛应用于生物医学工程、材料科学和计算等领域的主要问题之一。本文提出了一种粘弹性诱导捕获流动颗粒的微流控系统，以提高颗粒纵向动态自组装的可操作性，并实现对颗粒间距和颗粒通过出口频率的实时控制。设计了两种功能微结构和一个侧通道，对随机分布的颗粒进行预处理，使颗粒无团聚、分布均匀，实现颗粒体积浓度的实时控制。在弹性力和粘弹性诱导的有效排斥力的平衡下，随机分布的颗粒可以聚集成一条直线，并在直微通道的中心轴上等间距分布。此外，还建立了颗粒在各功能微结构中流动的有限元分析模型。因此，这种微流控技术的进步可以为广泛的研究提供重大的推动。
2019-11-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Polymeric filament thinning and breakup in microchannels
研究了弹性对微通道横向流动中纤维细化和断裂的影响。当粘性溶液被外部不混溶流体拉伸时，与牛顿流体的情况相比，低的100 ppm聚合物浓度强烈影响破裂过程。质量，聚合物长丝表现出慢得多的演变，其形态特征多个连接的滴。细丝厚度的测量显示两个主要的时间制度：流动和毛细驱动。在早期，聚合物和牛顿流体都是流动驱动的，并且长丝变细是指数的。在以后的时间，牛顿细丝变细跨越到毛细驱动的制度，其中衰减是代数的。相比之下，聚合物流体首先过渡到第二种类型的流动驱动行为，其中长丝内的粘弹性应力变得重要，并且衰减再次呈指数级。最后，聚合物长丝在后期变得毛细管驱动，具有代数衰减。我们表明，指数流动变稀行为允许一种新的测量牛顿流体和聚合物流体的拉伸粘度。
2007-12-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Profiling a soft solid layer to passively control the conduit shape in a compliant microchannel during flow
微通道在流动过程中的形状有助于理解从流体的流变测量到颗粒和细胞分离的各种现象的物理学。用于获得所需通道形状（对于给定应用）的两种常用方法是（i）以所需形状制造微通道和（ii）在流动期间致动微通道壁以获得所需形状。然而，这些方法并不总是可行的。我们提出了一种替代的，被动的方法{ \it先验}调整的弹性流体动力学在微系统中，实现一个预先确定的（但不是预制的）流动几何形状时，微通道进行流动。也就是说，我们利用一个软固体层之间的相互作用，它下面的粘性流和它上面的刚性壁，调整流体域的形状。具体来说，我们研究了一个平行壁微通道，其顶壁是一个细长的软涂层的任意厚度连接到一个刚性平台。我们推导出一个非线性微分方程的软涂层的流体-固体界面，我们用它来推断如何实现特定的管道形状在流动过程中。利用这一理论，我们证明了四类微通道几何形状的调整，建立，通过概念验证，我们的建模框架的可行性。我们还探讨了滑动长度图案化的刚性底壁的微通道，一种常见的技术在微流体，作为一个额外的“处理”的微通道形状控制。然而，我们发现，这种效果在实践中要弱得多。
2021-07-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dynamics of a droplet migration in oscillatory and pulsating microchannel flows and prediction and uncertainty quantification of its lateral equilibrium position using Multi Fidelity Gaussian processes
对微通道内牛顿流体振荡流和脉动流中液滴的动力学行为进行了数值研究。振荡频率，表面张力，和通道流速的影响已被探索通过模拟微通道内的液滴。与具有类似条件的稳定流相比，这些类型的流为液滴引入了新的平衡位置。由于底流的非定常特性，模拟结果对网格分辨率非常敏感。因此，在这项研究中使用了一组精细的网格，以更准确地捕捉这个问题的物理过程。然而，这些精细的网格使得计算非常昂贵。因此，具有两个保真度水平的多保真度高斯过程方法已被用于预测剩余的细网格模拟的结果以及它们的不确定性，其基础上的相关性与粗网格的情况下，在广泛的输入参数。
2021-03-21 physics.flu-dyn
Programmable thermocapillary shaping of thin liquid films
我们提出了一种方法，利用投影光图案作为一种机制，通过热毛细效应的薄液膜的自由变形。我们开发了一个封闭形式的解决方案的薄膜演化方程的反问题，允许获得所需的投影图案，以实现所需的地形。我们实验性地使用计算机控制的光投影仪实现该方法，该光投影仪将任何期望的图案照射到具有吸热金属垫图案的流体室的底部上。所得热图在液体-空气界面中诱导表面张力梯度，从而引起使液体表面变形的热毛细流动。如果将聚合物用于液体膜，则可以将其光固化以产生固体装置。基于反问题的解决方案，并使用该系统，我们演示了几个衍射光学元件（DOE），包括相位掩模扩展景深成像，和3D定位显微镜的制造。整个过程，从投影到固化，在不到五分钟的时间内完成，并产生亚纳米级的表面质量，无需任何后处理。
2022-05-02 physics.app-ph physics.flu-dyn physics.optics
A fluid--peridynamic structure model of deformation and damage of microchannels
School of Mechanical Engineering, Purdue University（普渡大学机械工程学院）
本文提出一种流体-peridynamic结构模型，研究微通道软壁在流体载荷下的潜在失效场景，通过分析发现非局部影响增强时波传播行为偏离经典行为，发现Strouhal数与合规数空间中分界线区分瞬态与稳态失效场景。
2026-03-14 cs.CE physics.flu-dyn
Conjugate heat transfer effects on flow boiling in microchannels
本文对非圆形微通道内的饱和流动沸腾进行了计算研究。对多微通道蒸发器的单元通道进行了数值模拟，求解了单元通道内的耦合传热问题。使用OpenFOAM v2106和内置的几何流体体积方法进行模拟，并使用自主开发的库进行增强，以包括液体-蒸汽相变并改进表面张力力的计算。本文采用常压水，通道水力直径Dh = 229 μ m，均匀基底热流qb = 100 kW/m ~ 2，通道宽高比AR = 0.25 ~ 4，通道翅片厚度Wf = Dh/8 ~ Dh，进行了系统的研究。研究了共轭传热和通道长径比对汽泡和蒸发膜动力学、传热和蒸发器温度的影响。这项研究表明，当流动是单相的，更高的努塞尔数和更低的蒸发器温度实现了AR < 1。在两相流状态下，Nusselt数随展弦比的变化趋势是混合的，尽管对于较小的通道翅片，Nu随展弦比的增加而上升的趋势是明显的。尽管如此，由于共轭传热，当改变纵横比时，努塞尔数和蒸发器底部温度遵循不同的趋势，并且AR < 1的通道似乎比纵横比更高的管道促进更低的蒸发器温度，尽管表现出稍微更差的两相对流传热性能。
2022-03-17 physics.flu-dyn
