【摘要】：氣液(ye)界(jie)面(mian)是微顆粒富集(ji)的(de)重要場(chang)(chang)所(suo)，對氣液(ye)界(jie)面(mian)上的(de)微顆粒進(jin)行操(cao)(cao)控(kong)在微裝(zhuang)配、微混合、微清掃(sao)等領域具有(you)廣闊(kuo)的(de)應(ying)用(yong)(yong)前(qian)景。微尺(chi)度(du)(du)下(xia)，常規的(de)接觸式操(cao)(cao)控(kong)粘連(lian)現(xian)象(xiang)凸顯且易造成(cheng)污(wu)染(ran)；通(tong)過施(shi)加非均(jun)勻外(wai)場(chang)(chang)產生(sheng)的(de)梯(ti)度(du)(du)力(li)進(jin)行非接觸式操(cao)(cao)控(kong)可有(you)效避免粘連(lian)現(xian)象(xiang)，但這(zhe)(zhe)些(xie)作用(yong)(yong)力(li)如(ru)光(guang)場(chang)(chang)梯(ti)度(du)(du)力(li)、磁場(chang)(chang)梯(ti)度(du)(du)力(li)、電場(chang)(chang)梯(ti)度(du)(du)力(li)等分別正比于(yu)～L~3、～L~3、～L~0(L為(wei)顆粒特征尺(chi)度(du)(du))，一旦尺(chi)度(du)(du)較(jiao)小(xiao)，其操(cao)(cao)控(kong)效率(lv)較(jiao)低。而漂浮于(yu)氣液(ye)界(jie)面(mian)微顆粒都會受到表面(mian)張力(li)(～L~(-1))的(de)作用(yong)(yong)，這(zhe)(zhe)種作用(yong)(yong)隨(sui)著尺(chi)度(du)(du)減小(xiao)變得更加顯著。

因此(ci)(ci)通(tong)過(guo)表面(mian)張力(li)能顯著提高(gao)(gao)微操控的(de)(de)(de)效率(lv)。為此(ci)(ci)，本(ben)(ben)文基于表面(mian)張力(li)梯(ti)度(du)(du)產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)兩種(zhong)方式(shi)，表面(mian)張力(li)系(xi)數梯(ti)度(du)(du)和(he)界(jie)面(mian)曲率(lv)梯(ti)度(du)(du)，分別提出了(le)由高(gao)(gao)斯光(guang)誘導(dao)的(de)(de)(de)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)導(dao)致(zhi)的(de)(de)(de)表面(mian)張力(li)系(xi)數梯(ti)度(du)(du)，以及由毛細(xi)波誘導(dao)的(de)(de)(de)界(jie)面(mian)的(de)(de)(de)曲率(lv)梯(ti)度(du)(du)從而產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)表面(mian)張力(li)梯(ti)度(du)(du)對界(jie)面(mian)上的(de)(de)(de)微顆粒(li)進(jin)行驅動研(yan)究。本(ben)(ben)文通(tong)過(guo)實驗與數值模型相結合研(yan)究了(le)具有“瘦高(gao)(gao)型”能量集中式(shi)高(gao)(gao)斯分布(bu)的(de)(de)(de)UV光(guang)入射到含有光(guang)熱效應(ying)Fe_3O_4顆粒(li)液(ye)(ye)滴(di)時，由于光(guang)強的(de)(de)(de)不(bu)均勻分布(bu)，液(ye)(ye)滴(di)表面(mian)會形成約(yue)2K/mm的(de)(de)(de)溫度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)，從而產(chan)生(sheng)Marangoni對流(liu)驅動納米顆粒(li)在液(ye)(ye)滴(di)內部形成渦(wo)流(liu)運動，其最大速度(du)(du)可(ke)達(da)～10mm/s的(de)(de)(de)數量級。

并且詳細給出了液滴(di)表(biao)(biao)面的溫度分布以及(ji)液滴(di)內部的流動狀態。并且通過數值(zhi)模型研究了不同液滴(di)高(gao)度以及(ji)不同輪(lun)廓高(gao)斯光(guang)對驅動效果的影(ying)響，結(jie)果表(biao)(biao)明:

(1)液滴高(gao)度(du)(du)越小，其表面可產生更大的溫度(du)(du)梯度(du)(du)，驅動效果更好；

(2)在能(neng)量(liang)密(mi)度相同條件(jian)下，相較于“矮胖型”高(gao)(gao)斯(si)光(guang)(guang)，“瘦高(gao)(gao)型”高(gao)(gao)斯(si)光(guang)(guang)能(neng)量(liang)更(geng)為集中，其驅動效(xiao)果(guo)更(geng)好。其次(ci)基于上述(shu)高(gao)(gao)斯(si)光(guang)(guang)誘導的(de)(de)(de)(de)液滴(di)(di)內(nei)(nei)部(bu)的(de)(de)(de)(de)渦流運動，提出了(le)一種非(fei)接觸式微(wei)液滴(di)(di)內(nei)(nei)部(bu)混(hun)(hun)合機制，當高(gao)(gao)斯(si)光(guang)(guang)交(jiao)替從液滴(di)(di)左右對(dui)稱位(wei)置(zhi)垂直入(ru)射(she)，液滴(di)(di)內(nei)(nei)部(bu)會交(jiao)替形(xing)成大小(xiao)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)漩渦，達到(dao)混(hun)(hun)合增強(qiang)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)，本文(wen)通過數值模型驗證了(le)該(gai)機制的(de)(de)(de)(de)混(hun)(hun)合效(xiao)果(guo)，并且分析了(le)液滴(di)(di)高(gao)(gao)度和高(gao)(gao)斯(si)光(guang)(guang)入(ru)射(she)位(wei)置(zhi)對(dui)混(hun)(hun)合效(xiao)果(guo)的(de)(de)(de)(de)影響，最后(hou)探討了(le)溫升和樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)(de)透(tou)光(guang)(guang)性對(dui)該(gai)混(hun)(hun)合機制的(de)(de)(de)(de)影響。

最后本(ben)文通過由(you)氣泡生(sheng)長潰(kui)滅所產生(sheng)的(de)毛(mao)(mao)細(xi)波(bo)(bo)(bo)對(dui)界面上(shang)的(de)微(wei)顆粒進行驅動(dong)(dong)研(yan)(yan)究(jiu)，在(zai)實驗中(zhong)(zhong)觀(guan)測到(dao)當毛(mao)(mao)細(xi)波(bo)(bo)(bo)掠過微(wei)顆粒時，顆粒依(yi)次(ci)經歷了前推與(yu)回拉(la)，并(bing)產生(sheng)了顯著(zhu)的(de)凈(jing)位移，其最大速度可(ke)達～100mm/s的(de)數量(liang)(liang)級。基于此，首(shou)先在(zai)COMSOL中(zhong)(zhong)建立了二維軸對(dui)稱(cheng)模型對(dui)毛(mao)(mao)細(xi)波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)播進行了數值(zhi)研(yan)(yan)究(jiu)，結果表明，毛(mao)(mao)細(xi)波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)播速度在(zai)～m/s數量(liang)(liang)級，并(bing)且(qie)由(you)于粘性(xing)耗散，毛(mao)(mao)細(xi)波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)播過程(cheng)中(zhong)(zhong)其振幅波(bo)(bo)(bo)速在(zai)不斷衰減。隨后在(zai)COMSOL中(zhong)(zhong)建立了三維模型對(dui)毛(mao)(mao)細(xi)波(bo)(bo)(bo)驅動(dong)(dong)界面上(shang)微(wei)顆粒進行研(yan)(yan)究(jiu)，采用兩相(xiang)流相(xiang)場方法模擬相(xiang)界面并(bing)且(qie)使用動(dong)(dong)網格接(jie)口來模擬顆粒運動(dong)(dong)。

由于(yu)相場方(fang)法(fa)中(zhong)將表面(mian)張力(li)作為體積力(li)加(jia)入到N-S方(fang)程中(zhong)，因此相場方(fang)法(fa)中(zhong)的(de)(de)界(jie)面(mian)上會(hui)產(chan)生(sheng)壓(ya)(ya)強突躍，并且壓(ya)(ya)強突躍峰(feng)值隨著界(jie)面(mian)厚(hou)(hou)度的(de)(de)增加(jia)而減小，因此，進行(xing)了在不(bu)同界(jie)面(mian)厚(hou)(hou)度下毛細波對顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)的(de)(de)驅動研(yan)究，結果表明，僅(jin)當(dang)界(jie)面(mian)厚(hou)(hou)度較薄時，顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)才可產(chan)生(sheng)先前推后回拉(la)(la)運動，當(dang)界(jie)面(mian)厚(hou)(hou)度較厚(hou)(hou)時，顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)僅(jin)能產(chan)生(sheng)前推運動而無法(fa)回拉(la)(la)。最后進行(xing)了毛細波對不(bu)同尺寸顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)、不(bu)同波源距離顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)以及(ji)不(bu)同初始振幅毛細波對顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)驅動研(yan)究，分析了由于(yu)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)尺寸和質量(liang)、毛細波傳播中(zhong)能量(liang)的(de)(de)衰減以及(ji)波長與波速之間(jian)的(de)(de)關系對顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)驅動的(de)(de)影響(xiang)。