基于Micro-PIV圆截面通道内的流场分析

　　微粒子图像测速(Micro-PIV)技术是现代流变学研究中,在微尺度下测量流体瞬时速度场,并以图像方式予以直观显示的新技术[1].借助在所研究的流体中恰当地撒播粒径十分微小的示踪粒子,并应用CCD摄像仪摄取时间间隔较短的2幅流场图像进行互相关分析,可获得流场的速度向量分布图,进而可对流场进一步分析.与传统的激光多普勒测速仪和热线风速仪相比,Micro-PIV技术在对被测流场不产生扰动的情况下可实现速度场的全局与局部细节的同时测量与显示[2].近年来,高精度与可视化的Micro-PIV技术在微流体生物芯片的研制、超音速微喷管的流场分析等方面得到了有效的应用[3].本文构建了Micro-PIV系统,研制了具有圆截面的微流动通道,实现了流体速度场的提取与显示,通过小波消噪提高了速度向量分布图的质量,并计算了流场的切应力分布.

　　1　Micro-PIV系统及微流动通道研制

　　Micro-PIV系统由微流动通道及其控制、图像采集和处理3部分组成.如图1所示,系统采用徕卡倒置荧光显微镜(Leica DMI4000B)捕捉微流动通道内示踪粒子的分布踪迹.该显微镜配有100 W卤素灯与荧光光强控制器,对微流动通道内普通或荧光标记的示踪粒子进行照明.与显微镜连接的Lei-ca DFC300冷却式CCD以15 f/s的帧速摄取流场内示踪粒子的分布图像.由计算机对相继的2幅图像进行互相关分析和小波消噪,获得流场的速度向量分布图,并予以显示.利用Micro-PIV系统进行实验还需要研制针对实验任务的微流动通道,并构建可控的微流动子系统.

　　迄今为止,微流动通道的制作方法大多数是以光刻法为基础[4],制作工艺复杂、成本高、周期长,难以在普通实验室制作具有圆截面的微通道以及三维螺旋形等结构的微通道.

　　本文提出了微丝模塑技术,克服了传统方法的缺点,易于制作出圆截面阵列式或拓扑结构与功能更复杂的微流动通道.如图2所示,应用微丝模塑技术制作阵列式聚二甲基硅氧烷微流动通道包含微排布、浇注固化和抽丝封装3个步骤:按实验要求将直径为80μm的不锈钢微丝布置于基底上,应用精确控制布线间距的装置调节线间距;然后浇注PDMS预聚物(PDMS与固化剂按质量比10∶1配比)并加热固化[5];固化后将微丝抽除,并加工连接导管接口,再用PDMS预聚物封装即可得到图2(c)所示的阵列式微流动通道.

　　在获得微流动通道后,需要恰当选取示踪粒子,选取的原则为:粒子的直径应在保证散射光强的条件下尽可能地小;粒子的密度尽量等于流体的密度;粒子不应与流体或微流动器件发生化学反应或吸附;粒子相互间不会发生吸附或凝聚.Micro-PIV系统的示踪粒子直径范围在0.1~10μm,常用示踪粒子有聚苯乙烯、二氧化钛以及玻璃微珠等.实验研究中,还必须使流体中粒子的浓度适中.然后,利用高压氮气经过减压驱动流体在微通道内连续流动[6-7],在配以100×油浸物镜的显微镜捕捉下,由CCD以15 f/s帧速摄取微通道内的粒子分布图像.