Control and synchronization of capillary flows in stepped microchannels
Indian Institute of Technology Madras(印度马德拉斯理工学院)
通过几何结构控制实现微通道中毛细流的被动控制与同步
2026-02-28 physics.flu-dyn
Capillary imbibition of monodisperse emulsions in confined microfluidic channels
我们研究了单分散乳液在高度h与液滴直径d相当的低纵横比微流体通道中的吸液。对于限制比d/h = 1.2,紧密限制的盘状液滴在通道中移动更慢的平均悬浮速度相比。在驱动吸液的弯月面后面,存在无液滴区域,其通过尖锐的浓度前沿与悬浮区域分离。悬浮液表现出强烈的液滴密度和速度波动,但平均而言,悬浮域保持均匀。对于较弱的限制,d/h = 0.65,球形液滴移动速度比平均悬浮液流,导致在弯月面附近的动态不稳定的高浓度区域的形成。我们描述的宏观悬浮动力学使用线性传输方程的颗粒相通量和悬浮液通量,由当地的压力梯度。偶极粒子相互作用模型解释了观察到的大的密度和速度波动的动力学方面的细长粒子团簇具有不同的取向。
2021-02-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Capillary focusing close to a topographic step: Shape and instability of confined liquid filaments
分步乳化是一种用于液滴生成的微流体技术,其依赖于由连续相包围的液体细丝的限制的突然减少。这种几何形状的一个显著特征是在临界毛细管数处两种不同的液滴破碎制度(“阶梯制度”和“喷射制度”)之间的过渡。在阶梯制度,小的和单分散的液滴直接从长丝断裂在地形步骤,而在射流制度的射流突出到较大的通道区域和大的插头状液滴产生。我们的特点作为一个函数的细丝的几何形状和毛细管数和目前的实验结果的细丝的形状和演变的毛细管数在很宽的范围内的射流制度的崩溃行为。我们比较实验结果与数值模拟。基于微流体通道的深度小的假设允许将控制方程减少到具有表面张力的Hele-Shaw问题。然后使用基于流体体积的算法数值求解完整的非线性方程。计算框架还捕获了两种制度之间的过渡,提供了更深入的了解潜在的解体机制。
2014-09-03 physics.flu-dyn
Using Microfluidic Device to Study Rheological Properties of Heavy Oil
在这项研究中,不同的纯液体和稀释沥青样品的毛细管驱动流动进行了研究,使用微流控通道(30微米的宽度和9微米的深度)。液体作为时间的函数的毛细管填充动力学进行了评价,并与理论预测进行了比较。对于纯液体,包括水,甲苯,己烷和甲醇的实验结果与理论预测吻合得很好。而对于沥青样品,随着沥青浓度的增加,理论计算结果与实验结果的偏差越来越大。高浓度(即高于30%)的较高偏差可能是由于动态接触角和本体接触角之间的差异。微通道是研究稠油和沥青在储层等多孔结构中流动的理想实验装置。
2016-11-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Gas injection and leakage in layered aquifers
向盐水层注入二氧化碳(CO2)是减缓人为气候变化的一种方法。为了确保安全储存这些CO2,重要的是要了解CO2注入和迁移与地质分层的相互作用。例如,Sleipner试点项目的地震监测表明,注入的二氧化碳正在一系列薄的中间密封层上积聚并泄漏。在这里,我们开发了一个弱可压缩,两相流体迁移系统的层状含水层的重力流模型。我们的模型包括垂直泄漏的水和气体密封,后者是受毛细管进入阈值。我们表明,毛细管压力的建立是非常敏感的电导率和连通性的水膜在气体区域。我们确定了两个相关的限制情况下,气体完全或根本不阻碍水流。然后,我们探讨的参数,支配气体泄漏和由此产生的流体分布-证明这个问题涉及到压力耗散,毛细管压力建设,和流体迁移之间的复杂的相互作用。我们表明,降低气体区域中水的相对渗透率可以引发气体泄漏或显着增加气体泄漏量。最后,我们将我们的模型应用于预期的Sleipner岩石特性,并表明CO2注入可能会建立足够的毛细管压力来侵入密封-这表明,与传统观点相反,CO2可能会在没有集中导管的情况下泄漏到Sleipner的中间密封。
2019-08-21 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Microfluidic Actuation by Einstein-de Haas Spin Torque
Kavli Institute for Theoretical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学理论科学研究所);CAS Center for Excellence in Topological Quantum Computation, University of Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学拓扑量子计算卓越创新中心);Advanced Science Research Center, Japan Atomic Energy Agency(日本原子能机构先进科学研究中心);RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)(理化学研究所新兴物质科学研究中心)
提出利用自旋电流通过爱因斯坦-德哈斯扭矩在密封液态金属中产生微流控驱动,无需压力、移动壁、磁场、洛伦兹力或电荷流动。
2026-05-25 cond-mat.mes-hall physics.flu-dyn
Spatio-Temporal Instabilities of Blood Flow in a Model Capillary Network
本研究通过实验证实恒定入口下简单微流控网络中血流存在多构型与多稳态、非定常动力学,且与基于流变学和相分离定律的一维平流模型吻合,指出微血管建模需摒弃唯一稳态假设,对微循环相关研究具有重要意义。
2024-10-05 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Time-dependent invasion laws for a liquid-liquid displacement system
本研究利用Onsager变分原理建立模型,研究倾斜管中液-液驱替的毛细管渗吸,发现不同于Lucas-Washburn型的时间依赖侵入规律,模型与实验吻合良好,为微流控及多孔介质多相流宏观描述提供参考。
2024-03-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Water-oil drainage dynamics in oil-wet random microfluidic porous media analogs
在微流体多孔介质类似物中进行的置换实验表明,降低的表面张力导致更稳定的置换,这与Hele-Shaw单元中的过程相反,在Hele-Shaw单元中,表面张力通过较低粘性的流体稳定较高粘性的流体的置换。此外,多孔介质的几何形状被观察到起着重要的作用。三个随机的微流体多孔介质模拟研究水-油排水动力学,其特征在于具有均匀宽度的随机连接通道的图案,具有高斯通道宽度分布的图案,以及具有大的孤立孔的图案。使用聚二甲基硅氧烷制造的具有玻璃盖的微流控芯片具有用三氯硅烷处理的内表面,以实现均匀的油润湿条件。水相置换油相,粘度比为约1:40,密度比为1:0.85。视频1-3显示了注水过程。据观察,通道尺寸分布(视频2)和孔隙尺寸的不均匀性(视频3)导致更强的指状物和降低的驱替效率。视频4显示,由于毛细力和接触角滞后的差异,小通道中的弯月面随着水前缘移动到附近的大空腔中而后退。视频5和6均在芯片2中以100 X放大率拍摄,显示了降低的界面张力的稳定效果。
2012-10-15 physics.flu-dyn
Rupture of liquid bridges on porous tips: Competing mechanisms of spontaneous imbibition and stretching
液桥是自然界中常见的现象,其破裂引起的液体迁移在各种工业应用中有着广泛的应用。在这项工作中,重点是多孔尖端,我们研究了毛细效应的影响,液体传输引起的破裂,通过数值模拟。为了描述多孔针尖的毛细效应,本文提出了一个时间尺度比R_T来比较自发自吸和外部阻力的竞争机制。然后,根据R_T,考虑尖端的几何形状、孔隙率和润湿性,建立了估计液体保留率的理论模型。本文提出的机理为微流体或微加工中更精确地控制液体传输提供了一种可能的方法。
2020-08-24 physics.flu-dyn
The motion of long levitating drops in tubes in an anti-Bretherton configuration
在他的开创性论文Bretherton [J. Fluid Mech.,10:166(1961)]研究了长气泡在毛细管中的运动,这是在许多两相流系统中遇到的情况。在这里,我们通过实验和数值模拟揭示了负配置,其中由液塞破裂形成的长液滴在毛细管中稳定传输并被流动诱导气垫包围。经过仔细的理论和数值分析的滴形成过程中,我们表明,滴和润滑空气膜的形状是让人想起Bretherthon的计算,可以推断出从一个适应的分析理论。这项工作为微流体系统中的液滴快速传输开辟了巨大的前景,而没有壁污染和摩擦。
2020-02-28 physics.flu-dyn
Predicting Performance of Microfluidic-Based Alginate Microfibers with Feature-Supplemented Deep Neural Networks
针对微流控微纤维制备依赖经验试错、建模难且数据量少易致模型不准的问题,本研究探索数据集扩展与引入物理无量纲数增强深度神经网络的方法,证实后者可提升预测准确率。
2024-12-11 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
Interface Dynamics at a Four-fluid Interface during Droplet Impact on a Two-Fluid System
University of Waterloo(滑铁卢大学)
研究液滴冲击两液体系时四液体界面的动力学,探讨粘性耗散、界面拉力和核心滴动能对颈缩动力学的影响,揭示不同体积和展开度的界面液体层对颈缩动态的转变机制。
2024-08-16 physics.flu-dyn
Dewetting Fingering Instability in Capillary Suspensions: Role of Particles and Liquid Bridges
该研究借助透明提升式 Hele-Shaw 池和高速成像,揭示微米颗粒、纳米颗粒及次级液体对毛细悬浮液拉伸去润湿指状不稳定性的不同调控作用。
2025-02-20 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Microfluidic studies of Salt Precipitation: Influence of Brine Composition, Interfacial Tension, Flow Conditions, and Chemical Additives
该研究利用微流控芯片模拟CO2注入,揭示卤水组成、界面张力、流速及添加剂对盐结晶、堵塞和非均质沉淀模式的影响。
2025-07-28 physics.flu-dyn physics.geo-ph
A 1D model of liquid laminar flows with large Reynolds numbers in tapered microchannels
在这篇文章中,我们建立了一个新的一维模型的微流体层流在锥形圆形和矩形通道假设在通道中的流动充分发展。在模型中,我们考虑了惯性和动压项。该模型可用于广泛的流动范围:从纯毛细流动状态,其中毛细力是通道中液体的主要驱动力,到外部压力流动状态,其中在通道入口处施加到液体的外部压力远大于通道中的毛细压力,使得毛细力可以忽略不计。我们将该模型应用于矩形Y形路口,其中的基础通道连接到一个水库和终端渠道暴露于大气中。我们发现,在不对称的Y形路口,可以有一个时间的弯月面逮捕,只有一个较小的半径填充的两个通道,和,另一个,具有较大的半径,逮捕。弯月面停止的时间随着施加的外部压力的增加而减少;当该压力变得足够大时,弯月面停止消失。然而,如果端部通道的半径比大,则不会出现弯月面停止,因为在具有较小半径的通道中的流动阻力比在具有较大半径的通道中的流动阻力大得多,使得在较宽通道中的初始流动不能被这些通道中的表面张力压力差停止。在这篇文章中,我们还研究了模型中假设的充分发展的流动近似的适用性。
2020-12-10 physics.flu-dyn
Cavitation induced by pulsed and continuous-wave fiber lasers in confinement
利用激光器在约束下产生的气泡已经被研究了其作为各种微流体装置中的液体微射流的驱动机制的潜在用途,例如无针射流注射器。在这里,我们报告的气泡形成的连续波(CW)和脉冲激光内的开放式微流体毛细管的研究。这导致在由以不同时间尺度(ms和ns)发射光的激光源生成的气泡之间的直接比较。气泡动力学是一个重要的参数,因为它决定了后续液体射流的可用动能。我们表明,气泡的生长速率与传递的能量的连续波和脉冲激光线性增加。实验表明,在相同的吸收系数,气泡的增长为两个激光器是相似的,这表明他们可以互换使用的射流产生。然而,由CW激光器产生的气泡需要更多的光能,这是由于热耗散。此外,由CW激光产生的气泡显示出稍大的变化,在相同的初始条件下,我们归因于热空化的随机性的大小和增长率。
2022-11-21 physics.flu-dyn
Quantitative analysis of the dripping and jetting regimes in co-flowing capillary jets
我们研究了一种液体射流,它在一个封闭的微流体几何形状内的外部共同流动的液体中分解成液滴。射流破碎可以在喷嘴之后以称为滴落的现象发生,或者通过从喷嘴破碎长距离的液体射流的产生发生,这称为喷射。传统上,这两个制度已被认为反映了两种时空不稳定性的流体射流,滴状制度对应于一个绝对不稳定的射流和喷射制度对流不稳定射流的存在。在这里,我们提出了定量测量的滴水和喷射制度,无论是在一个非强制性的和强制的状态,并比较这些测量与最近的理论研究的时空不稳定性的有限液体射流在一个共同流动的液体。在非受迫状态下,液体射流的振荡和破碎的频率被测量,并与理论预测进行比较。作为内流率的函数的射流振荡的主频率同意定性与理论预测的喷射制度,但不是在滴制度。在强制状态下,实现与周期性的激光加热,滴制度被发现是不敏感的扰动和液滴形成的频率保持不变。相反,喷射方案放大了外部施加的频率,其在由外部力施加的频率下转化为液滴的形成。总之,滴状和喷射状态分别表现出绝对和对流不稳定流的主要特征,但滴状状态中的频率选择不受稳定性分析预测的绝对频率的支配。
2011-09-29 physics.flu-dyn
Modeling Surface Wave Propagation over Meniscus and Scattering by a Surface-piercing Barrier
针对穿水面屏障附近弯液面显著改变毛细重力表面波传播散射的实验现象,本文提出两种线性化理论框架(模型1扩展平面边界条件,模型2适用多值/翻转表面),数值模拟重现实验结果,为相关应用奠定理论基础。
2025-04-15 physics.flu-dyn
Red blood cell shape transitions and dynamics in time-dependent capillary flows
单个红细胞(RBC)的动力学通过使其形状适应狭窄血管中的流动条件来确定微血管血流。在这项研究中,我们探索的动力学和形状转变的红细胞在细胞尺度上的限制和不稳定的流动条件下使用相结合的微流控实验和数值模拟。跟踪红细胞在随时间变化的流动中的共动帧揭示了从对称羊角形到偏心的非对称拖鞋形状的平均过渡时间明显快于相反的形状过渡,其表现出明显的细胞旋转。补充模拟表明,这些动力学依赖于在随时间变化的流动过程中的通道中的RBC膜的取向。此外,我们展示了如何与狭窄的通道相结合的拖鞋形红细胞的坦克踩踏运动导致振荡的细胞的质心。这些振荡的频率取决于细胞速度、周围流体的粘度和胞质溶胶的粘度。这些结果为识别和研究红细胞性质的病理变化提供了潜在的框架。
2021-12-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Real-time Manipulation of Liquid Droplets using Photo-responsive Surfactant
本研究利用光响应表面活性剂和低强度光在液-固界面及微通道内实现液滴的快速可编程运动,通过Marangoni流驱动,为微流控和热管理提供新方法。
2023-05-13 physics.flu-dyn
Evaporation of binary liquids from a capillary tube
本研究通过实验、数值模拟和解析模型,揭示了毛细管中水-甘油二元液柱蒸发的三种标度状态,并建立了统一的理论框架,为多组分液体选择性蒸发提供了物理见解。
2023-11-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Viscoelastic Droplet Impact on Surfaces with Sharp Wettability Contrast: Coupled Influence of Relaxation Time and Surface Tension
Embry-Riddle Aeronautical University(埃默里航空大学);Seoul National University(首尔大学)
研究粘弹性液滴撞击表面时,松弛时间和表面张力对液滴展开、回弹和重塑的耦合影响,揭示了弹性能量存储和表面张力对液滴形态的调节作用。
2026-04-09 physics.flu-dyn
Acoustic Resonance Effects and Cavitation in SAW Aerosol Generation
本研究揭示了MHz频率SAW气溶胶生成平台中存在微空化现象,证明SAW稳定的液体微穹顶可作为声学共振器成核空化气泡,并发现空化与毛细波不稳定性等三种机制共同参与液滴生成,解释了液滴喷发及芯片表面微结构损伤。
2023-06-03 physics.flu-dyn
Elastocapillary sequential fluid capture in hummingbird-inspired grooved sheets
受蜂鸟进食机制启发,提出一种利用弹性毛细变形实现两步顺序流体捕获的分层带槽薄片装置,可同时完成快速液体传输、等分与高约束,为微流控即时检验装置设计开辟新途径。
2024-10-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn