基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统及其实验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统及其实验方法，其实验系统包括压力驱动装置、数据采集装置、图形采集装置和内有光刻微米级通道的微硅芯片，微硅芯片的一侧连接压力驱动装置，另一侧连接数据采集装置，图形采集装置位于微硅芯片的正上方；压力驱动装置用于实验系统的流体注入与压力控制；数据采集装置用于辅助数据的收集与处理；图形采集装置用于拍摄记录流体液滴在微通道内的变形图像，并观察其两相界面情况。本发明专利技术采用十字形通道模型，通过控制压力，控制生成的液滴与气泡尺寸，并通过设置喉道观测变形实现对贾敏效应的研究，相对于现有技术，能够通过简单的方法实现两相微流体控制。

Experimental System and Method Based on Microfluidic Control and Jamin Effect Observation

【技术实现步骤摘要】
基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统及其实验方法
本专利技术涉及一种用于微流体控制与贾敏效应观测的微米通道实验系统及其实验方法，尤其涉及一种基于两相流动的微流体控制与贾敏效应观测的微米通道实验系统及其实验方法。
技术介绍
微流体技术，是上世纪90年代兴起的一门多学科交叉的科技前沿工程技术，着重研究特征尺寸在数百微米以下的通道中的流动规律。带动了化学、生物、岩土等学科从宏观现象研究到微观现象分析的革命性进展。对微流体的控制一直是微流体技术最为重要的一个环节，由于不同行业的研究需要不同，控制的精度要求也不相同。现有微流体实验装置的微流体控制大多用于化学及生物领域，其控制精度大，但同时也复杂，难操作，成本高。现有微流体实验装置的观测装置主要技术方案一是依靠PIV(图像离子测速)或LDV(激光测速)方法，这两种方法都采用了粒子跟踪技术，对粒子以及粒子运动的观察设备要求十分高。二是直接观测流体运动，这种方法简单，设备要求低，但获得的数据单一，并没有太高的实际研究意义。贾敏效应是一种阻力效应，液体中气泡或者气体中的液滴由于界面张力而力图保持成球形。当这些气泡或者液滴通过细小的孔隙喉道时，由于孔道和喉道的半径差使得气泡或油滴两端的弧面毛管力表现为阻力，若要通过半径较小的喉道必须拉长并改变形状，这种变形将消耗一部分能量，从而减缓气泡或液滴运动，增加额外的阻力，这种现象称为贾敏效应。贾敏效应对石油的采集率、煤层的注水效果等工程问题有着重要的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统及其实验方法，其操作方便，能较好的实现对微流体液滴的尺寸控制。本专利技术的任务之一在于提供一种基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统，其采用了如下技术方案：一种基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统，其包括压力驱动装置、数据采集装置、图形采集装置，还包括内有光刻微米级通道的微硅芯片，所述的微硅芯片的一侧连接所述压力驱动装置，另一侧连接所述数据采集装置，所述的图形采集装置位于所述微硅芯片的正上方；所述的压力驱动装置用于实验系统的流体注入与压力控制；所述的数据采集装置用于辅助数据的收集与处理；所述的图形采集装置用于拍摄记录流体液滴在微通道内的变形图像，并观察其两相界面情况。上述技术方案直接带来的有益技术效果为：实验所获得参数全面、真实、可靠；且整个实验装置结构简单、操作简便。这主要是由于采取了图像采集与辅助数据采集两类装置，其工作原理各不相同，所采集的数据类型也不相同，图像采集获得的是液滴变形的直观图像，界面弧度等图形信息，辅助数据采集获得的是注入压力以及流速等相关数值信息。两类数据是互补的，通过将这些数据处理后代入公式计算，最终能获得表面张力等重要数据，同时两数据还能起到相互检验的效果。作为本专利技术的一个优选方案，上述的微硅芯片分为上、中、下三层，上、下层为透明的上盖和下垫，中层为光刻微米级通道的通道层；上述的通道层，分为前后两部分，前半部分为十字形通道，十字的上下两端为气体进入口，十字左侧为液体进入口，十字右侧连接后半部分，后半部分为一条直通道，通道前段为直径为10微米的圆形截面通道，中段缩小为直径为5微米的圆形截面通道，后段又扩张为直径为10微米的圆形截面通道。上述技术方案直接带来的有益技术效果为：前半部分十字形微通道与有压气体相互配合实现对不同大小尺度液珠的生成的控制，后半部分直径从10微米缩小到5微米的微通道喉道，可模拟贾敏效应的条件，同时注水口、微通道和出水口处以同一水平，排除因重力差造成的影响。上述技术方案中采用十字形微通道来实现液滴大小的控制的方法，适用于各种流体，也可以替换成上下注加压水控制左端注入的气体的气泡尺寸，或者上下加加压水，控制左端注入的油生成所需要尺寸的油滴来满足实验需要。作为本专利技术的另一个优选方案，上述的数据采集装置包括压力传感器、测量毛细管及计算机，上述通道层后半部分的后段圆形截面通道的出口与上述的测量毛细管连通，上述的压力传感器与上述的计算机连接。进一步的，上述的压力驱动装置包括注射泵、气体钢瓶、止逆阀、三通、压力控制阀及软管，上述的注射泵通过上述软管与上述三通的一个端口相连，上述的三通的另一端口与微硅芯片中的液体进入口相连，上述的三通的再一端口连接上述压力传感器；上述钢瓶与上述的微硅芯片的气体进入口相连，上述的微硅芯片固定在显微镜工作台上。进一步的，上述的图形采集装置包括显微镜和摄像机，上述的摄像机安装在上述的显微镜的摄影接筒上，并且与上述的计算机连接。本专利技术的另一任务在于提供一种基于微流体控制与贾敏效应观测的实验方法，其包括以下步骤：a、实验准备：根据实验需求，预先制备去离子水、一定浓度的表面活性剂溶液、含有纳米材料的纳米流体三种液体，取等体积的三种液体放入压力驱动装置的注射泵中；将各个实验装置连接好，并接通注水泵电源，注入流体，检查连接处的密封情况完好后，用注水泵注入空气，排空管道中的液体；用注射器针头在测量毛细管中间部位注入一滴水珠，封闭测量毛细管与外界的接触；接通各个实验装置电源，将注射泵数据归零；显微镜对准十字形通道中心位置，自动对焦，调整画面清晰度，使其清晰的投影到计算机显示器；b、实验步骤及数据收集：实验开始时，设置注射泵使其按一定流量开始注入配置好的液体，通过压力传感器观测其注入压力数据，并记录在计算机里；通过显微镜观察配置好的液体在十字通道中的运动，调整气体注入压力，使十字形通道上下通道中注入的气体将液体掐断，形成液滴，不断控制气体和液体压力，得到多个不同大小的液滴；得到液滴后，停止液体与气体注入，调整显微镜观察点至喉道处，自动对焦，使喉道处液滴运动情况呈现在计算机的显示器上，继续注射液体；液滴在喉道处由于通道直径的变化会产生变形，其变形过程被显微镜捕捉，并被摄像机拍摄下来显示在计算机的显示器上，通过液滴的界面弧度可以分析其表面张力的变化情况；流经通道的流体最后流入水平放置的测量毛细管，秒表从液体流入测量毛细管开始计时，通过毛细管内液体的体积与时间，可以得出其流量数据；注射泵内更换成内有空气的注射器，注入空气，排空其中的流体，然后换下一种液体重复上述实验并记录相关数据。上述技术方案直接带来的有益技术效果为：实验操作简便，获取的流体运动参数较为全面，完全能够满足大部分研究需要，真实重现了微通道中贾敏效应的产生，且实验成本低，实验数据真实、可靠。上述技术方案中“用注射器针头在测量毛细管中间部位注入一滴水珠，封闭毛细管与外界的接触”的目的是为了隔绝测量流体与外界大气接触，从而杜绝其因液面蒸发而产生的误差。与现有技术相比，本专利技术带来了以下有益技术效果：(1)实验装置简单、成本低、操作方便，本专利技术实验系统采用十字形通道模型，通过控制压力，控制生成的液滴与气泡尺寸，并通过设置喉道观测变形实现对贾敏效应的研究，相对于现有技术，能够通过简单的方法实现两相微流体控制；(2)本专利技术的实验方法，通过更换实验所用流体，进而实现多种流体在喉道处变形的观测与受力的分析，具有可视程度高，计算结果真实、可靠，且操作简单，成本低等优点，可以较好的实现对微流体液滴的尺寸控制，并且这种方法还可以用来控制油滴、气泡等的尺寸。(3)形成的液滴与喉道的设置，满足了贾敏效应的发生条件，能够实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统，其包括压力驱动装置、数据采集装置、图形采集装置，其特征在于：还包括内有光刻微米级通道的微硅芯片，所述的微硅芯片的一侧连接所述压力驱动装置，另一侧连接所述数据采集装置，所述的图形采集装置位于所述微硅芯片的正上方；所述的压力驱动装置用于实验系统的流体注入与压力控制；所述的数据采集装置用于辅助数据的收集与处理；所述的图形采集装置用于拍摄记录流体液滴在微通道内的变形图像，并观察其两相界面情况。

【技术特征摘要】
2019.04.24 CN 20191033128981.一种基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统，其包括压力驱动装置、数据采集装置、图形采集装置，其特征在于：还包括内有光刻微米级通道的微硅芯片，所述的微硅芯片的一侧连接所述压力驱动装置，另一侧连接所述数据采集装置，所述的图形采集装置位于所述微硅芯片的正上方；所述的压力驱动装置用于实验系统的流体注入与压力控制；所述的数据采集装置用于辅助数据的收集与处理；所述的图形采集装置用于拍摄记录流体液滴在微通道内的变形图像，并观察其两相界面情况。2.根据权利要求1所述的一种基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统，其特征在于：所述的微硅芯片分为上、中、下三层，上、下层为透明的上盖和下垫，中层为光刻微米级通道的通道层；所述的通道层，分为前后两部分，前半部分为十字形通道，十字的上下两端为气体进入口，十字左侧为液体进入口，十字右侧连接后半部分，后半部分为一条直通道，通道前段为直径为10微米的圆形截面通道，中段缩小为直径为5微米的圆形截面通道，后段又扩张为直径为10微米的圆形截面通道。3.根据权利要求2所述的一种基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统，其特征在于：所述的数据采集装置包括压力传感器、测量毛细管及计算机，所述通道层后半部分的后段圆形截面通道的出口与所述的测量毛细管连通，所述的压力传感器与所述的计算机连接。4.根据权利要求3所述的一种基于微流体控制与贾敏效应观测的实验系统，其特征在于：所述的压力驱动装置包括注射泵、气体钢瓶、止逆阀、三通、压力控制阀及软管，所述的注射泵通过所述软管与所述三通的一个端口相连，所述的三通的另一端口与微硅芯片中的液体进入口相连，所述的三通的再一端口连接所述压力传感器；所述钢瓶与所述的微硅芯片的气体进入口相连，所述的微硅芯片固定在显微镜工作台上。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，陈建强，刘义鑫，刘昆轮，刘学麟，刘旭东，唐翔宇，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37