[发明专利]一种微尺度下测量滑移速度的装置与测量方法

说明书

技术领域

本发明属于微流体系统测量技术领域，尤其涉及微流体系统滑移速度测量技术，特别涉及图像法测量滑移速度技术。

背景技术

随着微流体系统的发展，微尺度流动研究一直是人们所关注的课题，随着微机械发展，微通道流场流动状况越来越引起人们的重视，这些微通道的直径往往从纳米到微米级不等，受通道壁面引力和表面形貌的影响，微流体的运动特性有别于宏观流道内的液体流动特性，壁面边界上的滑移速度已引起越来越多的关注。目前国内外对疏水表面减阻机制的解释普遍采用的是Navier提出的壁面滑移模型，即在流体流经固体表面时存在一个滑移速度。但在疏水表面的流动滑移特性和滑移影响因素等问题上还一直存在着争议，许多研究者采用不同的方法进行试验，试图探索减阻与滑移长度、表面能以及表面粗糙度的关系，目前还没有形成统一的认识。测量滑移的常规方法是流量-压降法，即在毛细管或者微通道的两端给定压力降，测量对应的流量，然后根据理论关系式间接得到滑移速度和滑移长度。此法的不足是：利用对宏观量的测量来研究微观现象，其精度受到一定影响。随着流场定量可视化、粒子跟踪测速、粒子图像测速(ParticleImageVelocity，PIV)等技术的发展，现有技术中有了直接观测超疏水表面对速度的影响的方法，这种方法的不足是：需要对数据和图像进行大量分析，较为复杂。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种微尺度下测量滑移速度的装置与测量方法，使操作方便，且易于实现。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种微尺度下测量滑移速度的装置，包括微量气体泵、管系、气压表、微量注射泵、液体、矩形通道、高速摄像系统和水槽，其特征在于：所述矩形通道左侧壁面为亲水性的硅片一，右侧壁面由两片硅片在同一平面上下拼接组成，下侧硅片为亲水硅片三，上侧硅片为疏水硅片二，疏水硅片二的长度为下侧亲水硅片三的2～4倍，矩形通道前后两侧壁为透明玻璃片，矩形通道左右两侧壁之间的的距离为0.1～10mm，矩形通道下端用管路与微量气体泵连接，气压表连接在矩形通道与微量气体泵连接的管路上，矩形通道上端用管路与水槽连接，所述微量注射泵与矩形通道连通，连通位置位于亲水硅片三是中下部，微量注射泵与液体连通，所述高速摄像系统置于与矩形通道透明玻璃片相对的位置，摄像视窗位于疏水硅片二和亲水硅片三的交界面处，视窗视野在疏水硅片二和亲水硅片三交界面上下5mm。

本发明所述一种微尺度下测量滑移速度的装置，其特征在于：所述矩形通道的长宽值为25mm*5mm。

本发明所述一种微尺度下测量滑移速度的装置，其特征在于：所述微量气体泵流量范围为0～500ml/h；所述连接管路的直径为4mm；所述气压表量程范围为0～10Kpa。

本发明所述一种微尺度下测量滑移速度的装置，其特征在于：所述高速摄像系统的最小帧频大于1000fp/s，内存大于等于2Gb。

本发明所述一种微尺度下测量滑移速度的装置的测量方法，其特征在于：所述测量方法如下：

1）打开微量气体泵向矩形通道内持续送微量气体；

2）打开打开高速摄像系统对矩形通道内摄像；

3）打开微量注射泵向矩形通道中注入液柱，液柱与矩形通道左右两侧壁面相接触；

4）液柱在微量气体推动下在矩形通道内向上运动，高速摄像系统摄录下矩形通道内液柱运动图像；

5）对所摄图像分析处理，在图像上设定液柱的位置Ⅰ，位置Ⅰ液柱与右侧硅片的接触点为D点，D点位于疏水硅片二和亲水硅片三交界面处，位置Ⅰ液柱与左侧亲水硅片一的上接触点为A点，在图像上设定液柱的位置Ⅱ，位置Ⅱ液柱的位于疏水硅片二和亲水硅片三交界面上部，位置Ⅱ处液柱上侧气液界面形状处于初始稳定不变状态，位置Ⅱ处液柱与左侧亲水硅片一的上接触点为B点，位置Ⅱ液柱与右侧疏水硅片二的接触点为C点，测量A点和B点、C点和D点之间的距离，高速摄像系统显示的液柱由位置Ⅰ运动到位置Ⅱ的时间即为液柱由位置Ⅰ运动到位置Ⅱ的运动时间，分别用测量的A点和B点之间的距离、C点和D点之间的距离除以液柱由位置Ⅰ运动到位置Ⅱ的运动时间，分别得出液柱在亲水硅片一和疏水硅片二两壁面处的流动速度，用液柱在疏水硅片二上的流动速度减去液柱在亲水硅片一上的流动速度即得到液柱在疏水硅片二处的滑移速度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.用图像法测量液柱在微通道壁面的滑移速度，实验实施方便，后期处理简单，实验结果清晰易懂。

2.易于实现，重复性好。

3.适用于微流体系统。

附图说明