MicroPIV系统对微方管三维流场的测量.doc

MicroPIV系统对方形微流道3D速度分布的测量郑旭 王绪伟 李战华*中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京，100080*摘 要：本文介绍了一种具有垂向精细调节功能的MicroPIV系统。在PI纳米位移控制器的配合下，垂直方向位移调节精度可达到10nm。对微方形流道55m20m中不同垂直位置处的速度分布的测量结果表明，无量纲化实验测量速度分布与三维理论预测值符合得很好，同时垂直方向无量纲最大速度也与理论结果相符。证明宽深比小于3的微管道的速度剖面的3D特征。关 键 词：MicroPIV，微流动，方形流道，速度分布1.引言微流动是MEMS系统研究中的一个重要内容，对微流动机理的研究成为MEMS领域发展的重要基础，Ho & Tai1对此已进行了全面的综述。Santiago et al.2和Meinhart et al.3率先发展起来的MicroPIV技术，为微流动中速度测量和流动显示提供了重要的手段。近年来，MicroPIV技术逐渐发展成熟并已成功的被应用于微流动的实验测量中4,5，但还有不少问题需要改进，如进一步提高空间分辨率，提高近壁区测量精度等。本文将介绍由高放大倍数、高数值孔径物镜，纳米位移控制系统组建的MicroPIV系统，该系统的光学分辨率达到0.35m，图像分辨率达到80nm，垂直位置调节精度达到10nm。现有微流控芯片以方形流道为主。当方形微流道制成宽度远大于高度的形状时，在宽度中心位置测得的沿高度方向的速度分布与二维Poiseuille流抛物线分布近似4。而依据White6给出的粘流方管理论解，高度和宽度相差不大的方管，三维效应将会非常明显，二维Poiseuille流抛物线解将不再适用。宏观尺度方管速度分布的理论分析已经有了比较完整的结果，Schlichting7总结了Nikuradse实验，给出了层流方管横截面的等速度线，Patel & Head8给出了不同雷诺数下方管中不同层面最大速度的分布。但至今没有对方形微管道中的实验结果进行验证。而且微流动中壁面效应对近壁流动也将有明显的影响，这启发我们进一步利用MicroPIV来考察方形微流道中的速度分布。2.实验装置和方法2.1.MicroPIV系统中科院力学所LNM室的MicroPIV系统主要由双脉冲激光器(New Wave 120XT)、荧光倒置显微镜(Olympus IX71)、EMCCD(Andor 885)、纳米位移控制器(PI)、同步控制器(北京立方天地Micropulse 710)和电脑等组成。系统示意图如图1所示。图1.MicroPIV系统示意图(1)New Wave Nd:YAG 双脉冲激光器，发射光波长为=532nm，发射脉冲频率在1-15Hz内可调，脉宽35ns，最大激光能量120mJ，实验时使用范围1015mJ。(2) Olympus IX71荧光显微镜的核心部件是物镜。物镜分辨率计算公式为： (1)其中NA为物镜数值孔径，n为介质折射率，为物镜视场半角。可见选用高数值孔径的油镜，可以提高分辨率。因此我们选用了100X的油镜，数值孔径NA=1.35，镜头油折射率n=1.516，(=0.35m)。物镜工作距离为100m，这对微流道的制作有了一定的限制。依据文献2、3，物镜景深表示为： (2)其中M为物镜放大倍数，e为CCD单像素宽度(对Andor 885 EMCCD e=8m)，那么z=0.54m。(3) 实验使用的荧光粒子粒径为dp=200nm，被激发光波长约610nm，荧光液体由荧光粒子加超纯水配成，浓度约0.1%，其衍射光斑直径ds和有效光斑直径de分别为： (3) (4)当物镜放大倍数M=100，入射光波长=532nm时，ds=48.1m，de=52.1m，即通过物镜观察到的荧光粒子直径为de/M=0.52m。(4)物镜焦平面位置的垂直调节依靠PI纳米位移控制器，调节范围0100m，调节精度10nm。 (5)图像拍摄使用10041002像素14bit Andor 885 EMCCD。该CCD有电子增益功能，光敏感度高。单个像素宽度为8m，配合荧光显微镜，11bining下图像的分辨率可达到80nm (22bining格式，图像分别率为160nm)。但此CCD没有双曝光功能，对于快速流动的测量只能采用自相关方法。整套MicroPIV系统的工作由电脑控制8通道同步器来协调，同步器工作频率设置为10Hz，时间精度达10ns。2.2 微流道制作实验用方形微流道是用具有疏水性的聚二甲基硅氧烷(Poly -dimethylsiloxane，PDMS)通过MEMS软光刻工艺制成，其制作过程主要有以下几步：(a)设计管道线形，制作掩模板；(b)以掩模板为基础，对硅基上的SU8负光刻胶进行光刻，得到模板；(c)使用PDMS复制模板；(d)将复制后的PDMS用氧离子溅射，与玻璃盖玻片键合，制成流道。实验中使用的流道长约3cm，宽约55m，高约20m，测量位置相距管道端口大于1cm，以避免进口效应的影响。表1给出了本次实验使用方管的几何尺寸。表1.实验方管几何尺寸长度L(mm)宽度w(m)高度h(m)26.853.819.02.3 实验方法及图像处理方形微流道中的流动由压力驱动，将微管道接入微流动实验台，用氮气驱动液体流动，驱动压力由压力传感器读出(图1)，实验使用的驱动压力范围是2050kPa，同时还考虑了出入口的液柱高度差。实验从方管下底面开始，我们依靠粘附在底面上的荧光粒子来确定下底面的位置，以此为z=0m位置，之后用PI控制物镜升降来测量其他x-y平面的速度。实验拍摄时，时间间隔t的两束脉冲激光先后发射，CCD在同一曝光时间内记录两次脉冲激光照射后荧光粒子形成的图像，图像用自相关算法分析。CCD的曝光时间要尽量接近t，以避免外界干扰，实验中t的范围是30s1.5ms。图像处理使用自行开发的LNMMicroPIV软件。软件判读的第一个环节是滤除或减弱图像中的噪声干扰，增强粒子图像的灰度。利用自编的程序滤除背景噪声后，再利用数字滤波器9滤除图像中高频随机噪声分量。滤波得到的结果如图2所示。 图2.滤波后的图片 图3.计算结果显示图像采用自相关方式判读，即采用6432判读区，6020网格（即速度矢量间距3.2m）系综相关方式。自相关方式判读的最大缺点是“方向模糊性”问题，但对于有确定流动方向的问题，通过设定搜索区域可有效地解决此问题。计算结果如图3所示。3.实验结果3.1 方形微流道中的三维理论速度分布White(1974) 6对方形管道建立坐标系，以流向为，管宽为y，管高为z (图4)，用N-S方程级数解给出三维速度分布为： (5)其中L为管长，p为流动的驱动压差，为液体粘度。由于荧光液体浓度很低，其粘度近似为水的粘度。当wh时，管道中的流速分布u(x,z)可以用二维Poiseuille流抛物线结果表示。但当w/h10时，上述近似就会产生很大误差。图4.方形管道截面示意图，管道宽(方向)，高(方向)3.2 MicroPIV实验结果实验驱动压力约30kPa，平均流速Umean=2.86cm/s，对应雷诺数Re=UmeanDh/=0.91。1. x-y平面：为了比较x-y平面上速度剖面，对不同z位置的速度进行了无量纲化处理。无量纲理论速度和无量纲实验速度分别可以表示为： (6)其中和为z=zk平面处的理论最大速度和实验最大速度。且无量纲宽度 (7)图5给出了不同z位置(x-y平面)测得的无量纲速度分布。从图5b、c看出，无量纲实验速度分布曲线和理论曲线形状符合得比较好。在靠近上、下壁面区域z=0、1和19m处(图5a、d)，实验结果与理论结果有所偏差。由于近壁位置流速低，粒子数少，为图像处理带来了困难，这仍需进一步精细测量。实验曲线整体略微向左侧壁产生偏移，这个偏差是由于图像处理时取的侧壁位置与实际位置的偏差造成的。在底面z=0m处测得的速度不为零，我们认为这与底面位置的判定有关。由于物镜景深的影响，以粘附于壁面的粒子的位置来代表壁面位置，会造成z/2的偏差。 (a) z=0,1,2m (b) z=4,6,8m (c)z=10,12,14m (d)z=16,18,19m图5.不同z位置的实验和理论无量纲速度比较图6.实验无量纲最大速度沿Z方向的分布 2 x-z平面：为了比较不同z平面上实验和理论流速值的大小，采用理论最大速度对实验速度和理论速度进行无量纲化，无量纲最大速度和分别为： (8) 无量纲高度 (9)图6给出了x-y各层最大速度沿z方向的分布。从图6中看出，当0.4时管道中心处的最大实验速度与(5)式的理论结果符合得比较好。而0.40.7后，实验速度明显偏大，这可能是油镜的影响(尤其短工作距离的物镜)。有镜头油的存在，当物镜上移到一定程度，微管道如果没固定好，就可能被顶起一段微小的距离，本次实验估计顶起来的距离约1m。4.结论 由倒置荧光显微镜、高光灵敏度CCD、垂向纳米位置控制器及自行开发的LNMMicroPIV图像处理软件组成的MicroPIV系统，具有以下特点：10nm垂向调节精度，80nm图像空间分辨率，100m/s10mm/s流速测量范围。 将LNM室的微流动实验台与上述MicroPIV系统配合，对5020m方管内定常流动进行测量，实验速度结果和3D理论结果相比符合得比较好。说明宽深比小于3的微管道的速度剖面具有3D特征。 在近壁区0.05和=1位置附近，还需进一步改进，以得到更好的实验结果。致 谢：本文作者感谢中国科学院仪器项目、重大创新项目 (KJCX2-SW-L2)的支持，同时感谢国家自然科学基金 (10272107) 的支持。参 考 文 献1 Ho C-M and Tai Y-C. Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) and fluid flows. Annu. Rev. Fluid Mech. 1998, Vol.30, 579-612.2 Santiago JG, Wereley ST, Meinhart CD, Beebe DJ and Adrian RJ. A particle image velocimetry system for microfluidics. Experiments in fluids. 1998, Vol.25, 316-319.3 Meinhart CD, Wereley ST and Santiago JG. PIV measurements of a microchannel flow. Experiments in fluids. 1999, Vol.25, 414-419.4 Tretheway DC and Meinhart CD. Apparent fluid slip at hydrophobic microchannel walls. Physics of fluids, 2002, Vol.14(3), L9-L12.5 Jia Ou and Rothstein JP. Direct velocity measurements of the flow past drag -reducing ultrahydrophobic surfaces. Physics of fluids, 2005, Vol.17, 103606.6 White FM. Viscous fluid flow. McGraw-Hill book company, New York, 1974.7 Schlichting H. Boundary layer theory. 7th edition, McGraw-Hill book company，1979, 612-615.8 Patel VC and Head MR. Some observations on skin friction and velocity profiles in fully developed pipe and channel flows. 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