非均匀磁场下磁液液滴生成与输运的实验研究

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液滴因其离散性、小体积和高通量等优势,在生物医学中得到了广泛的应用,引起了各研究领域的研究兴趣。在对于液滴的各种研究中,对其进行操控是一个十分重要的关注点,磁性液滴因其同时具有流动性和顺磁性,可以实现对其进行非接触式的操控,为液滴的操控提供了便利。磁场作为一种非接触式的操控方式,不受PH值、离子强度、表面电荷和温度的影响,并且便于实现、操控范围广,是一种很有优势的操控形式。在磁场下磁性液滴的流动特性将变得异常复杂,尤其在非匀强磁场的作用下,对液滴的变形、速度与运动轨迹将产生很大影响。为了更好的实现对磁性液滴的操控,如操控其进行药物的定向输送,对磁性液滴在非匀强磁场下的生成与运动进行实验研究显得很有必要。本文针对磁性液滴的两相流动,开展了磁性液滴在非匀强磁场下生成、垂落和横向运动的实验研究,为磁性液滴的操控与应用提供了实验参考。本文根据磁化强度理论和分子环流假设,推导了磁性液滴的磁体积力,并利用Matlab软件计算了矩形永磁铁的磁场和这种磁场中磁性液滴的磁体积力。我们给出了磁性液滴两相流的控制方程,该方程包括了麦克斯韦方程,以及耦合了表面张力和磁力的动量方程,并推导了磁力项的表达式。在匀强磁场下推导了麦克斯韦方程的理论解,并进行了计算,从计算结果中可以看到磁场会因为磁性液滴界面的存在发生变化。针对油基磁性液体在去离子水中生成液滴的过程,本文开展了实验研究,讨论了竖直的梯度磁场(磁场梯度方向与重力方向相同)对生成液滴的质量、形状和稳定性的影响。在磁场的作用下磁性液滴生成的质量将会变小,其形状会被拉长,稳定性也将变差。随着磁场强度的增大,磁性液滴的质量逐渐变小,高宽比逐渐变大,生成时间变短。这主要是因为梯度磁场中,磁性液滴会受到磁体积力,而且磁体积力会随着磁场强度的增大而变大,对磁性液滴的影响也变得更明显。磁性液滴断裂形成完整的液滴后,我们继续研究了其垂落过程。液滴在生成后的下落过程中先是由于突然断裂长轴逐渐变短,随后逐渐被拉长形成泪珠状,最终由于横向磁场梯度的快速增大,液滴被横向拉长变形为半球形甚至弯月形,各个阶段的变形程度皆随着磁场的增强而变得明显。磁场的施加使得液滴的垂落速度明显增大,并且随着磁场强度的增大而增大。基于磁性液滴药物输送的应用前景,我们实验研究了水基磁性液滴在横向流动的硅油中的运动过程。实验对比了磁性液滴在单块、相吸和相斥磁铁布置的磁场中的运动过程,总结了磁性液滴在各磁场中的运动轨迹和变形情况,为操控磁性液滴的输运过程提供了实验基础。本文主要通过实验研究了磁性液滴的两相流过程,在实验中通过设置梯度磁场可以对液滴的生成和运动过程产生影响,加深了磁场对磁性液滴影响的认识,为磁性液滴的操控提供了良好的实验参考。
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