微型模穴填充過程之輸送現象研究

Abstract

本論文之目的在於設計不同模穴尺寸及流動條件，利用光學方式觀測水與不同黏度等級之黏度液流經微小模穴時流體前緣移動過程，以探討毛細力、黏滯力、慣性力以及幾何效應對波前流動的影響；論文中並配合CFD-ACE(U) Modules 軟體模擬分析，在分析中加入表面張力的效應模擬流體填充過程的運動方式，經由理論與實驗分析的比較進一步歸納出會影響流動現象之主要參數。 由模擬結果得知，當波前脫離入口中央高壓區域的影響後，毛細作用力便抵銷慣性力而開始主導波前，當流率越大，中央高壓影響的區域越長，而在進入漸闊區時，截面積擴張進而造成毛細阻力變大，使得波前由凹形變為凸形；因而從模擬當中我們歸納出影響波前的三個主要參數，即流率、接觸角值與幾何尺寸的變化。 在實驗方面，影響波前流動最大因素仍在於液體與壁面之接觸性質，從水與黏度液的實驗結果比較可看出，附著力越強，其毛細作用也就越顯著；在幾何尺寸方面，我們可藉由減縮水力直徑來提升毛細力作用程度，而當水力直徑相同情況下，深寬比不同所造成的流動情形也會有所差異；另外一個因素我們發現也必須考量進去，那就是壁面粗糙度對流動中液體會產生自由能障礙(Free energy barriers)，當液體與兩側粗糙面接觸的周長比例越高，其影響就越顯著；而在黏滯力的部分，我們所選用的黏度液在流動過程中，波前與壁面接觸點之前端會產生預先潤濕層(precursor film)，然而此現象的確使得毛細作用更為顯著，由幾何尺寸與流率的改變都難以影響液體與壁面接觸關係。