微小型弯管内双重乳液的流体动力学特性研究

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乳液微流控技术依靠设计多相流体在微流控芯片流体网络中的有序流动便可以实现对乳液液滴体积、形貌以及产率等重要特性参数的精确调控,因此在微储能材料制备、微化工过程操控及其微生物医药加工等领域得到了广泛应用。为此,对微流控过程中乳液在各种类型流道中流体动力学特性开展研究将具有重要的理论价值和工程意义。微流控过程中乳液往往会流经分叉、弯曲、渐缩渐扩等各类非直线和非均匀截面流道,从而引发乳液液滴的变形、破碎、聚并等动力学行为,进而对乳液微流控操作效果产生重要影响。目前,虽然对乳液液滴在渐缩渐扩管中的流体动力学特性已经开展了一定程度的研究,然而在对乳液液滴在微小型弯管这一特殊的局部阻力件中的流体动力学机理与规律的认识还不充分。为此,本文开展了双重乳液液滴在微小型弯管中流动的理论建模并结合可视化实验,研究了微小型弯管内双重乳液的流体动力学特性。本文基于VOF(Volume of fluid)液/液相界面追踪方法,建立了双重乳液液滴在微小型弯管中流动的非稳态理论模型并进行数值模拟,研究了双重乳液液滴在微小型弯管中流动过程中出现的变形、破裂等现象,给出了双重乳液液滴在微小型弯管中流动的速度场和压力场的分布,分析讨论了不同角度弯管、毛细数、内液滴、表面张力及油相粘度对双重乳液液滴在微小型弯管中流动过程的影响。研究结果表明:双重乳液液滴在流经微小型弯管过程中,在弯头转角处时会受到离心力的影响,使得双重乳液液滴的流动发生变形,并且随着弯管的弯曲角度的增大,双重乳液液滴的变形程度加剧,严重时甚至发生破裂;毛细数和表面张力是影响微小型弯管中双重乳液液滴流体动力学特性的两个非常重要的因素,在流经同一结构的微小型弯管时双重乳液液滴的变形随着毛细数的增大变得强烈,随着表面张力的增大而减弱;内外液滴半径比对双重乳液液滴的影响实际上则是内液滴对整个双重乳液液滴的影响,内液滴的增大会阻碍双重乳液液滴在微小型弯管中的变形;此外,增大油相的粘度会使乳液抑制形变的能力增强从而使乳液不容易发生破裂。另外,本文还设计搭建了双重乳液液滴在微小型弯管中流动的实验台,开展了双重乳液流型演化的可视化实验研究,定量分析了各相流量以及不同弯管角度对于双重乳液液滴在弯管中流动过程的影响。研究结果表明:双重乳液液滴在微小型弯管中的流动行为受到弯管角度的影响,并且随着弯管角度的增大,双重乳液液滴的变形程度会加剧。双重乳液液滴尺寸受到各相流量的影响,外相流体流量的增大使得液滴受到的剪切力增大从而使得液滴更易发生变形。
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