磁场作用下铁磁流体座滴的变形机制和动力学特性

Droplet deformation and dynamics is a fundamental operation unit of various microfluidic devices which is applicable in wettability characterization of solid surface and industrial area. Among all the active actuation methods, magnetic fields exhibit distinguished performance in instant and remote controllability without limitation on dielectric properties of the liquid. For revealing the physical process of flow and mass transfer in a ferrofluid sessile droplet under magnetic-fluidic-solid multi-physical fields, this proposal will establish a testing platform and develop a multi-physical fields numerical model by using FVM to solve flow, magnetic field and LSM equation, which is capable of tracking the interface. To investigate the occurrence conditions of complex mechanism of magnetization and fluid flow, deformation of the ferrofluid sessile droplet is studied together with the three-dimensional spatial-temporal evolution pattern under the coupled effects of flow dynamics, magnetic dynamics, nonlinear magnetization of ferrofluid and dynamic contact line. The physical phenomena will be understood for the solution of dynamic contact line and nonlinear magnetization as well as the correlated characteristics for droplet behavior variation under different liquid and magnetic properties. The interaction between droplet shape and magnetization will be systematically studied on magnetic actuation of ferrofluid droplet deformation and dynamics to provide profound application potential and significant theoretical meaning in micro magneto-fluidic technique.

座滴的变形和运动可以运用于固面润湿特性的直接表征和工业生产。磁场力驱动在即时、远程控制上具有显著的优势且不受流体介电性能的约束，因而在数字式磁性微流体控制方面有广阔的应用前景。本项目针对垂直磁场作用于磁性座滴的磁-液-固多物理场耦合作用下的铁磁流体座滴流动和传质的物理过程，发展相应的多物理场耦合数值模型，采用FVM对速度场、磁场和LSM方程进行耦合求解，建立整体模拟实验平台；系统研究流体动力学和磁动力学效应，非线性磁化及接触线动态行为等耦合下座滴的变形及其动力学三维时空演化规律，深化对多物理场耦合下的复杂流动等物理本质的理解及其对座滴变形和动力学行为的影响机制；洞悉考虑周围介质影响情况下的动态接触线处理方法在座滴行为随流体物性、磁场特性耦合的关联规律；获得座滴特征参数与磁场表征的协同规律，为磁性微流体控制技术创造应用前景并提供理论支持。

基于纸张制造、打印和驱动技术、磁场控制可变焦液体透镜等方面的应用潜力，本项目研究主要着眼于多相流中液滴的形变和动力学行为，对液滴形变及其控制展开基础研究，旨在更好地掌握铁磁流体液滴的形变机理及其在驱动非磁性液滴上的实现。研究中考虑多相流体动力学与磁动力学的耦合，发展铁磁流体液滴内流动、磁场分布以及界面变形的数学描述，采用有效的数值格式发展三维控制方程的数值求解方法。首先采用数值方法研究了非润湿铁磁流体液滴在磁场作用下的形变机理，分析了铁磁流体悬滴在形变过程中的流场和磁场分布以及形变动力学特性。数值计算中，采用了水平集方法来捕捉多相流的界面轮廓，联合了多个物理场模块进行耦合模拟。在掌握磁场和流场的耦合机理以及悬滴形变规律的基础上，搭建了全套的数字微流体实验平台，对铁磁流体座滴的形变进行了相关的实验和数值模拟。分析了具有移动接触线问题的座滴形变及其在磁场作用下的变化规律，并高精度地拟合了水基铁磁流体的磁化曲线。最后，在掌握磁-流-固耦合机理和座滴形变规律的基础上，设计了一种利用磁场作用下铁磁流体座滴形变来驱动的液体透镜，采用数值方法研究了该透镜的光路分布以及聚焦规律。研究结果系统展示了磁场控制磁性液滴的形变和运动规律，通过磁场控制可有效地实现对可作为透镜的液滴的驱动和精确控制，大幅度降低人造卫星中光学成像设备的重量和制造成本，为液体透镜在航空及航天器上的应用打下了理论基础。