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表面粗糙度對(duì)混有熒光粒子的液滴蒸發(fā)過(guò)程及接觸角的影響
（論文部分內(nèi)容摘抄）
如今,液滴已被應(yīng)用于打印機(jī)、微型泵等微流體領(lǐng)域，但是與液滴相關(guān)的眾多現(xiàn)象，如馬蘭格尼效應(yīng)、接觸角和蒸發(fā)過(guò)程等，過(guò)去的研究并不充分。本文詳細(xì)研究了接觸面的不同表面粗糙度對(duì)液滴蒸發(fā)過(guò)程及接觸角的影響，具體為通過(guò)采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)，獲得了液滴中間平面的粒子圖像，計(jì)算了不同接觸面粗糙度條件下混有熒光粒子的液滴無(wú)量綱體積與接觸角隨時(shí)間的變化曲線。
液滴目前被應(yīng)用在 DNA 分子顯像，自?xún)粑讲牧霞皣娔蛴〉任⒘黧w領(lǐng)域。然而，在與液滴微納米尺度相關(guān)的諸多現(xiàn)象上，如馬蘭格尼效應(yīng)、蒸發(fā)過(guò)程、液滴與固體表面的接觸角等方面的研究進(jìn)行的并不充分。液滴內(nèi)部的液體流動(dòng)對(duì)整體輸運(yùn)現(xiàn)象起著重要的作用，研究者們對(duì)此已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)并進(jìn)行著大量的研究。在馬蘭戈尼效應(yīng)方面，實(shí)驗(yàn)者等人采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了馬蘭戈尼效果和浮力對(duì)懸掛液滴的影響。懸掛著液滴的接觸面的溫度被突然增加或降低以研究瞬時(shí)的加熱和冷卻過(guò)程。他們對(duì)具有不同粘性的硅油的研究表明，馬蘭戈尼效果對(duì)液滴內(nèi)的速度和溫度分布影響較大。實(shí)驗(yàn)者等人通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的方式研究了馬蘭戈尼熱流動(dòng)并建立了一套標(biāo)準(zhǔn)來(lái)界定它的影響，并發(fā)現(xiàn)回流的方向取決于接觸角與平板和液體熱傳導(dǎo)系數(shù)的比率兩個(gè)因素。
實(shí)驗(yàn)裝置：
在本項(xiàng)研究中，液滴的制備過(guò)程如下：首先將熒光粒子去離子，水和乙醇混合在試管內(nèi)，然后使用漩渦混合器將溶液混合攪拌，再使用超聲機(jī)振蕩溶液，將溶液密封并靜止，選取試管中部的清液加入至注射器，以備使用。
本項(xiàng)研究選用紅銅銅板 4 塊，其中3塊分別用砂紙單向打磨，另外1塊未經(jīng)打磨。在清洗制備好的銅板時(shí)，需要將銅板依次在乙醇及去離子水中進(jìn)行超聲清洗。 本項(xiàng)研究所用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示：首先，注射器產(chǎn)生液滴，并從實(shí)驗(yàn)銅板上方處滴落。實(shí)驗(yàn)板為紅銅板，且以導(dǎo)熱膠與恒溫水域裝置相連，水浴裝置用來(lái)調(diào)節(jié)銅板即液滴接觸面的溫度。激光器所發(fā)射激光，在經(jīng)過(guò)光學(xué)狹縫后形成了一個(gè)激光片光，激發(fā)液滴中的熒光粒子，并通過(guò) CCD 照相機(jī)（德國(guó) Excelitas PCO 公司的 pco.dimax 高速相機(jī)）拍攝呈像。數(shù)字延遲發(fā)生器用以控制激光照明和照相機(jī)圖像采集的頻率和同步性。
本項(xiàng)研究采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)，獲得了在四種接觸面粗糙度情況下的液滴粒子圖像，并通過(guò)分析粒子圖像，比較了不同接觸面溫度對(duì)液滴無(wú)量綱體積以及接觸角的影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，周?chē)諝獾臏囟葹?span style="text-indent:2em;">22.5℃，氣壓為757mmHg，相對(duì)濕度為 72.0%。
圖表示液滴落到接觸面 3min 后，10 張瞬時(shí)液滴中間平面圖像的平均圖像（接觸面的溫度為 20.0°C）。將 10 幅圖像平均可以方便我們清晰的看到粒子的軌跡。由圖可知，液滴左右兩側(cè)出現(xiàn)漩渦，由粒子圖像為液滴的中間平面可知，在整個(gè)液滴內(nèi)部應(yīng)該形成了一個(gè)渦環(huán)。需要說(shuō)明的是，在液滴底部出現(xiàn)的較明亮的局部區(qū)域?yàn)闊晒饬Ｗ拥某练e造成的。
本文通過(guò)采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)，獲得了液滴中間平面的粒子圖像，計(jì)算了不同接觸面粗糙度條件下混有熒光粒子的液滴無(wú)量綱體積與接觸角隨時(shí)間的變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著液滴蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，液滴無(wú)量綱體積和接觸角都會(huì)減少；然而粗糙度的不同會(huì)對(duì)液滴無(wú)量綱體積和接觸角的減少速率產(chǎn)生很大的影響，這可能是由于液滴所處的不同潤(rùn)濕狀態(tài)所引起的。
德國(guó) Excelitas PCO 公司pco.dimax相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、高幀率的優(yōu)點(diǎn)，將研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程完美記錄，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
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