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研究所发明快速测量粘度和表面张力的装置
发稿时间:2016-11-30         作者:郭朝红 孙彦红          来源:传热传质研究中心     【字号:

  近日,研究所传热传质研究中心在微流控研究方向取得重要进展,提出了新的测量粘度和表面张力的在线测量系统,并自主设计完成了测量装置。

  微流控技术发展日趋成熟,具有样品耗量小、促进传热传质、表面比大、空间尺度和时间尺度小的优点,广泛应用在微化学反应器、芯片实验室、生物工程等领域。微流控系统中相态分布、动力学及稳定性受表面张力和粘性力的控制,对微流控系统表面张力和粘度的动态在线测量非常重要。而传统的界面张力和粘度测量方法难以实现对物性的在线测量,耗时长,而且需要较多的样品,一直是石油化工领域的一个难题。

  针对以上难题,传热传质研究中心基于Taylor流在微通道中的流体动力学,将液膜厚度和流体表面张力及粘性力之间的相互关系通过Taylor关系式表示,提出了新的在线测量系统,通过对Taylor流进行液膜厚度测量,可以对气/液、液/液系统及更复杂的流体系统包括非牛顿流体和生物流体进行可靠的物性计算。

  研究团队在国内首次实现了对微通道内气液界面液膜厚度的测量。液膜厚度通过激光共聚焦位移计(LFDM,精度±0.3 μm,响应时间640μs)测量,实验装置示意图如图1所示,通过音叉移动调整物镜位移确定目标表面的位置,气液界面处两相折射率不同,反射强度达到最高。液膜厚度测量首先确定玻璃管内壁面的位置,然后确定气液界面的位置。数据采集使用LabVIEW 软件监视和控制数据采集过程,并对采集结果进行初步处理,数据采集频率为 5 kS/s,分辨率为16 bits

  图1 实验装置示意图

    基于Taylor流体动力学,推出表面张力和粘度随液膜厚度的变化关系式:以及

 

  基于液膜厚度的测量结果以及以上理论关系式,对三种不同纯液体(水、乙醇、FC-72制冷剂)以及液体混合物和含表面活性剂的水溶液的表面张力和粘度进行了测量,得到了可靠的测量结果。

  该在线测量系统具有快速便捷,测量精度高的特点,不但能对气/液、液/液系统及更复杂的流体系统包括非牛顿流体和生物流体进行可靠的物性测量,在较高流速下更可以同时得到表面张力和粘度的测量值。目前,研究团队正在开发和完善表面张力和粘度同时测量的系统, 并开发用于生物医疗领域非牛顿流体流变仪。

  该项研究已申请2项发明专利,成果发表在仪器测量类顶级期刊Review of scientific instrument,参见链接 http://scitation.aip.org/content/aip/journal/rsi/87/11/10.1063/1.4963898。研究工作得到了国家青年千人计划基金及国家自然科学基金的资助。 

 

 
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