T型微通道內(nèi)微液滴形成機(jī)制的CFD模擬.pdf

1、微流控芯片技術(shù)是一種新興的檢測方法。由于它巨大的發(fā)展?jié)摿?，?yīng)用越來越廣泛，逐漸成為一個多學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。近年來，利用微流控芯片制備離散化的微液滴因其具有單分散性好、大小均一且精確可控的優(yōu)點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注。本論文通過使用CFD技術(shù)，對兩種尺寸的T型微通道微流控芯片中液滴的形成過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。
　　在制備微液滴的微流控芯片通道中，T型微通道是利用兩相流體在T形接口處產(chǎn)生的交錯剪切力作用而形成分散性良好的微液滴流，

2、避免了外部驅(qū)動，減小了實(shí)驗(yàn)難度，從而被廣泛的應(yīng)用。T型微通道內(nèi)微液滴的產(chǎn)生可根據(jù)連續(xù)相毛細(xì)準(zhǔn)數(shù)的變化可劃分為“Squeezing”、“Dripping”、“Jetting”三種不同的機(jī)制。目前，除了“Squeezing”機(jī)制下液滴的形成機(jī)理和定量關(guān)系已較清晰以外，其他機(jī)制以及各機(jī)制的過渡態(tài)下的液滴形成過程和相關(guān)體系參數(shù)的影響還沒得到系統(tǒng)的完善。其中一個原因是目前的大多數(shù)研究局限于實(shí)驗(yàn)研究，受限于設(shè)備制造難度大、操作繁瑣、實(shí)驗(yàn)成本較高、研

3、究周期冗長等缺點(diǎn)，T-型微通道中的微液滴的形成機(jī)制的研究進(jìn)展緩慢。
　　本論文采用的CFD數(shù)值模擬技術(shù)，可以針對微通道內(nèi)的兩相流動的情況，建立反映流動現(xiàn)象本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，然后利用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)微液滴形成過程的仿真實(shí)驗(yàn)。該方法可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的局限，方便、系統(tǒng)地對相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的影響進(jìn)行研究。本文設(shè)計了兩種尺寸不同的T通道構(gòu)型，針對Dripping機(jī)制，建立了主副通道比大于3的寬型T通道的模型；而針對Squeezing機(jī)制，設(shè)計了主副

4、通道比為1的窄型T通道.
　　對于寬型T通道，模擬系統(tǒng)解釋了通道壁的潤濕性能對液滴形成的影響，CFD數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了只有當(dāng)通道壁疏離分散相時，才能形成微液滴的結(jié)論；并歸納出，當(dāng)連續(xù)相的流速和黏度增大時，所成的液滴體積不斷減小；當(dāng)兩相表面張力不斷增大時，液滴體積不斷增大；當(dāng)Cac增大時，形成的微液滴體積會變?。贿M(jìn)一步考察Cac的變化與液滴體積大小之間的關(guān)系，得出了在一定的范圍內(nèi)，微液滴的直徑與連續(xù)相Cac值的倒數(shù)之間存在明顯的線性

5、關(guān)系的重要結(jié)論。
　　本論文在窄型T通道內(nèi)對Squeezing機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬，并首次使用CFD方法實(shí)現(xiàn)了Transient機(jī)制的三維模擬；發(fā)現(xiàn)當(dāng)連續(xù)相的Cac增大到0.025時，液滴的形成機(jī)制發(fā)生了轉(zhuǎn)變，Transient機(jī)制下所形成的的液滴長度為30μm~60μm；并在一定范圍內(nèi)對Transient機(jī)制下的液滴體積大小進(jìn)行了定量的研究，取得了突破性的進(jìn)展。
　　在對窄型T通道形成微液滴的相關(guān)條件及物性參數(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，

6、通道壁潤濕性能對液滴形成過程也存在影響，只有當(dāng)通道壁疏離分散相時，才能形成微液滴，當(dāng)通道壁對分散相的接觸角在0~60°之間時，能夠形成分散性良好的液滴流，且接觸角的改變對液滴體積的影響不大。而后，采用了固定分散相流速，逐漸改變連續(xù)相流速的方法考察了兩相流率比Qd/Qc與液滴體積的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)00.3后，符合/Lwc=2.3812/1