微流体混合技术长期以来一直是一个备受关注的问题。在微观尺度上，流体具有“体积小，速度慢”的特点，导致雷诺数低，粘性力优先于惯性力。因此，宏观尺度上的“无序湍流混合效应”不适用于微尺度流体的混合。
鉴于此，我们考虑利用非接触式混合和光场中良好空间分辨的优点，是实现液滴内部混合的可行方法。鉴于研究的不足，基于表面张力在微观尺度上的主导作用，我们提出了一种非接触式策略，通过高斯光的交替照射实现液滴的内部混合，从而可以显著实现流体在单液滴中的有效混合。
首先，高斯光从液滴的几何不对称位置垂直交替入射时可以产生交替的大涡和小涡。具有不同覆盖区域的涡流交替在液滴内的左右区域形成，取代了液滴内的流体，从而成功地达到了混合液滴的目的。
图1 高斯光从液滴底部的不同位置照射引起的内部流动示意图
之后，基于数值模拟方法分析纳米流体液滴内高斯光交替入射时引起的流体流动问题，并进一步研究液滴高度和交替高斯光的入射位置对液滴混合特性的影响。
图2 不同时刻下液滴内部的（a）速度分布和（b）浓度分布
最后，引入了一个与液体自由表面相关的无量纲数，即Marangoni数Ma，进一步探讨影响液滴内部混合效应的力学机制。上述结果表明，表面张力梯度引起的热传递优于由热传导引起的热传递；当高斯光交替地从几何不对称位置入射时，可以增强液体表面张力梯度引起的液体流动效应，进而增强液滴中的流体混合。
图3 不同液滴高度下高斯光的a/W入射位置对混合指数MI的影响
图4 不同液滴高度下具有不同a/W值的无量纲马兰戈尼数Ma的变化
目前，论文已在线发表在《International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow》上，论文第一作者为2020级博士研究生刘哲，孙博华院士和崔海航副教授为共同通讯作者。
文章链接: Liu, Z., Wei, H., Chen, L., Cui, H. and Sun, B. (2022), "Light-driven mixing strategy inside a nanofluid droplet by asymmetrical Marangoni flow", International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow. https://doi.org/10.1108/HFF-07-2022-0446
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