T型微通道内液滴(气泡)不对称分裂特性研究

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近年来,微流控技术被广泛应用于生物、化学、医学、微机电等领域,可实现其基本载体微液滴和微气泡的精确控制。由于微小尺寸效应带来的高比表面积、高传热传质性能等优势,微液滴和微气泡受到越来越多的关注。调控制备不同体积的液滴(气泡)也成为亟待研究的课题。不等长分支通道T型微通道可利用液滴(气泡)的不对称分裂得到不同体积的子液滴(气泡),其结构简单,操作便捷,是制备不同体积微液滴(气泡)的优选方法。目前T型微通道内液滴(气泡)的不对称分裂研究对分裂机理的讨论分析还不够充分,缺乏体系化、系统化的研究。因此,开展T型微通道液滴(气泡)不对称分裂实验研究,具有重要的应用前景和科学意义。本文采用可视化实验方法开展了T型微通道内液滴(气泡)不对称分裂研究,设计了分支通道长度不相等T型微通道芯片,并搭建了不对称分裂可视化实验平台,系统研究液滴(气泡)不对称分裂流型及其形成机理,为其尺寸精准控制提供理论依据。主要研究内容与研究结论如下:(1)定量研究液滴分裂过程形貌演变特性,分析液滴分裂动力学行为特征,揭示不同分裂流型形成机理,重点讨论液滴分裂比的影响规律,结果表明:1)本文中液滴不对称分裂共出现四种流型:阻塞隧道分裂、双隧道分裂(反向流)、双隧道分裂(同向流)和不分裂。其中,分裂流型中液滴分裂过程可分为三个阶段:进入阶段、挤压分裂阶段和分裂后阶段。在挤压分裂阶段,液滴颈部收缩速度非均匀变化,分裂前夕颈部由2D收缩变为3D收缩,向心界面张力促进了颈部的加速坍缩;对于不对称T型微通道,子通道内流阻不同,因而液滴整体将偏向流阻更小通道移动,直至液滴颈部断裂;而隧道的出现会减缓液滴在子通道中的前进运动,最终影响液滴分裂比例Vlarge/Vsmall。2)当毛细数维持不变,随着液滴初始长度增加,液滴分裂流型由双隧道分裂向阻塞隧道分裂过渡,此时液滴分裂比Vlarge/Vsmall呈现先减小后增加的V型变化曲线,其变化拐点约为两流型的临界点;这是由于在阻塞隧道分裂流型中,液滴长度增加进入子通道的液滴长度越多,较低粘度的液滴使分支通道整体粘度降低,流阻整体减小,对于短分支通道而言其流阻降低更明显,因此液滴更多部分进入短分支通道,Vlarge/Vsmall逐渐增大;而在双隧道分裂流型中,随着液滴长度增大,隧道宽度减小,长分支通道中隧道宽度减小尤为显著,阻碍减弱,进入长分支通道中的液滴体积增加明显,而短分支通道内隧道宽度变化小,进入短分支通道内的液滴体积增量小,从而液滴分裂比Vlarge/Vsmall随液滴长度的增大而减小。(2)定量研究气泡分裂过程形貌演变特性,揭示不同分裂流型形成机理,讨论气泡分裂比的影响规律,比较分析了气泡与液滴不对称分裂的不同,结果表明:1)本文中气泡不对称分裂共出现四种流型:阻塞隧道分裂、双隧道分裂(反向流)、双隧道分裂(同向流)和不分裂;由于较强的气液界面张力,气泡不分裂流型较液滴更出现更为普遍,并且气泡分裂的不稳定性导致不分裂、双隧道分裂(反向流)、双隧道分裂(同向流)流型之间的相互转换条件不明显。2)气泡的不对称分裂过程同样分为三个阶段:进入阶段、挤压分裂阶段和分裂后阶段。进入阶段液相挤压力起主导作用,挤压分裂阶段气泡颈部宽度单调减小,分裂前气泡受向心界面张力驱使急剧收缩,颈部宽度呈断崖式减小;由于分支通道流阻不同,分裂过程中气泡逐渐偏向流阻更小的通道;与液滴分裂类似,隧道的出现减缓了子气泡头部的移速,进而影响气泡分配比例;3)当毛细数不变,随着气泡初始长度的减小,典型流型逐渐从阻塞隧道分裂向双隧道分裂转变,挤压分裂总时间逐渐增加;在双隧道分裂(同向流)流型情况下,由于气泡较强气液界面张力的张紧作用被显著扩大,子气泡体积比随时间呈指数变化。。相较于现有的液滴(气泡)不对称分裂研究,本文全面、系统的研究了液滴(气泡)在T型不等长分支微通道内的不对称分裂过程,详细讨论了分裂机理,为液滴(气泡)不对称分裂的理论分析和工程应用提供了有力支撑。
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