Y聚焦型微通道内磁流体液滴的生成与调控

利用高速摄像仪研究了截面为400 μm×400 μm Y聚焦型微通道内磁流体液滴在矿物油中的生成过程。以水基磁流体EMG 807为分散相,含4%表面活性剂Span-20的矿物油为连续相。实验观察到了3种流型：弹状流、滴状流和喷射流。分别考察了两相流量、连续相毛细数及磁感应强度对液滴尺寸及生成过程的影响。结果表明：可通过改变两相流量及磁场调控液滴尺寸。当分散相流量不变时,液滴尺寸随着两相流量比的增加而减小。液滴尺寸随着连续相毛细数及磁感应强度的增加而减小,随着分散相流量的增加而增加。以两相流量比、连续相毛细数和磁Bond数为参数提出了一个液滴尺寸的关联式,预测值与实验值吻合良好。     

聚焦十字型微通道内高黏流体中气泡生成动力学

利用高速摄像仪观察了聚焦十字型微通道内高黏度（630 mPa·s）的甘油-水溶液中氮气气泡的生成过程。研究了气泡生成过程以及气泡体积和最小颈部半径的变化规律。结果表明,高黏流体内气泡生成过程可分为回缩、膨胀、挤压和最终破裂4个阶段。气泡体积在膨胀和挤压阶段均随时间线性增长,但挤压阶段的斜率大于膨胀阶段的斜率。气泡最小颈部半径随时间变化分为两个不同的阶段：在挤压阶段,颈部半径随剩余时间呈幂率关系;而在最终破裂阶段,颈部半径随时间呈线性关系。     

十字交叉微通道内微液滴生成过程的数值模拟

采用VOF模型对十字交叉微通道内微液滴的生成进行三维数值模拟,获得了拉伸挤压、滴状剪切、单分散射流等单分散微液滴的生成机制以及紊乱射流、节状形变流、管状流和滑移流等两相流型,模拟与实验结果相吻合验证了模拟的有效性。液液两相流型主要受两相流速、两相界面张力以及连续相黏度的影响,发现随着连续相的流量增大,微液滴的生成尺寸减小,生成频率增大;而离散相流量的影响则相反。两相表面张力与连续相黏度分别在低连续相Ca数和高连续相Ca数条件下分别起主导作用。在低连续相Ca数(U_d<0.03 m·s^-1)的拉伸挤压和滴状剪切流流型下,微液滴生成尺寸随着表面张力系数的减小而减小,在射流条件下反而增大,微液滴的生成频率变化则相反。在高连续相Ca数(U_d>0.03 m·s^-1)下,微液滴的生成尺寸随着连续相黏度的增大而减小,微液滴的生成频率变化则相反。另外,壁面接触角在拉伸挤压流型下对微液滴生成无太大影响,但在滴状剪切和单分散射流流型下,接触角减小会导致微液滴无法稳定生成。     

不对称T型微通道内液滴的无阻塞破裂动力学

利用高速摄像机研究了不对称T型微通道内液滴的无阻塞破裂过程。以甘油-水溶液为分散相,含4%（质量分数）表面活性剂Span-20的矿物油为连续相。液滴的无阻塞破裂过程可分为三个阶段：进入阶段、形变阶段和破裂阶段。其中破裂阶段又可分为快速破裂阶段和细丝破裂阶段两个子阶段。考察了表观流速、无量纲液滴长度和两相黏度比对破裂阶段的影响。结果表明：快速破裂阶段是一个自相似过程,无量纲颈部最小宽度与无量纲剩余时间呈幂律关系,幂律指数约为1.35。细丝破裂阶段无量纲最小颈部宽度与无量纲剩余时间呈线性关系。斜率随着表观速度和无量纲液滴长度的增大而增大,随两相黏度比的增大而减小。     

同轴微通道内管结构对液滴生成的影响规律研究

研究了同轴微通道内水-硅油体系的液滴生成过程。在不同的连续毛细数Ca_c和分散相Weber数We_d下,观察到滴出流和喷射流两种不同的流型。实验考察了两相流量、黏度和内管结构对液滴尺寸和液滴生成频率的影响。结果表明液滴尺寸随着分散相流量增加而增大,而随着连续相流量和黏度的增加而降低。此外,随着We_d的增加,流型会从滴出流过渡到喷射流,而更大尺寸的内管会更早过渡到喷射流,从而得到更大的液滴尺寸。对于液滴生成频率,其随Ca_c和We_d的增加均呈现先快速增加后变缓的趋势。当内管通道尺寸基本相同时,不同结构的内管通道在固定Ca_c时其液滴生成频率相差不大,且随着通道尺寸的减小,液滴生成频率逐渐增加。基于实验结果,建立了液滴尺寸预测模型,预测值与实验值吻合较好。     

微反应器内液滴生成规律及流动特性研究进展

微通道内两相流动广泛应用于微化工领域,本文简介了微通道内两相流动的形成过程,综述了国内外研究进展。进一步的研究需要结合数值模拟与理论研究的方法,以实验结果为基础,获得更为细致、可信的数学模型,为微化工优化设计提供基础。     

微通道内液滴/气泡破裂动力学分析

微化学工程与技术是现代化学工程学科的前沿领域。微通道内液滴及气泡破裂动力学是决定多相过程并行微通道数目放大的基础与难点。破裂流型转换条件、界面动力学和尺寸调控等三方面是微通道内液滴与气泡破裂动力学的主要研究对象。讨论了对称微通道、非对称微通道、多级微通道、旁路微通道、含有障碍物的微通道内气泡和液滴破裂行为及影响因素,指出了目前微尺度下气泡与液滴破裂行为相关研究工作存在的不足,并对该领域未来的发展进行了展望。     

微通道内卫星液滴生成机理与惯性分离机制

由于非线性动态特征,液液界面破裂过程常伴随卫星液滴的产生,对基于液滴的微流体技术生产液滴的均一性和精准化目标提出了挑战。阐释了微流体界面失稳的复杂动力学特征,剖析了界面失稳的影响因素,并分析了伴随界面失稳而产生的卫星液滴的现象与原理。结合惯性微流体新概念,总结了卫星液滴的惯性分离机制。展望了卫星液滴生成-惯性微流体分离一体化及其并行化数目放大的构想。相关工作的开展,有利于实现微流体技术生产单分散性液滴的精准化目标,为微流体与复杂流体相关的界面动力学行为与调控夯实基础。     

梳状并行微通道内液液分布规律研究

为了实现工业化应用,微反应器的并行放大已成为最有效的放大策略之一。在微反应器的放大过程中,相分布规律的研究是非常重要的。采用高速摄像仪研究了梳状并行微反应器的支通道间距和流量对液液两相分布的影响。当连续相和分散相流量Q_c及Q_d都较小时,不同支通道间距的微反应器内前方支通道的分散相含率较低,后方支通道的分散相含率较高,同时液滴长度的均匀性较差。随着Q_c与Q_d的增大,三种不同构型微反应器内分散相的体积相含率的数值分布逐渐趋于集中。在较高的两相流量下,支通道内液滴长度的均匀性显著提高,其变异系数小于0.15。在实验范围内,支通道间距S = 0.6 mm的微反应器中液滴尺寸均匀分布的操作范围最大。     

流动聚焦微通道内牛顿微液滴在幂律剪切致稀流体中的生成研究

采用开源CFD软件OpenFOAM中的interFoam求解器对流动聚焦微通道内微液滴的形成过程进行了数值模拟。通过与文献中的实验数据进行对比,验证了VOF模型和幂律非牛顿流体模型的准确性。并以此为基础模拟了幂律剪切致稀流体中牛顿微液滴的形成过程,研究了幂律流体的幂律指数n和稠度系数K对微液滴生成的影响。研究表明,在滴状和挤压状流型中,离散线颈部宽度与周期内剩余时间呈幂律关系;离散线长度在坍塌阶段呈现线性缓慢增长,在夹断阶段呈现近似指数迅速增长的趋势。随着n和K的增大,液滴的尺寸逐渐减小,而生成频率则逐渐增大,且n的变化比K的变化对其产生的影响更明显。     

A novel microfluidic method to simultaneously measure droplet size and interfacial tension without visualization

Droplet size and interfacial tension are key parameters related to two-phase flow. However, current methods for measuring these parameters are usually based on visualization and are therefore not applicable for invisible two-phase flow systems. Moreover, real-time determination of interfacial tension is difficult because conventional methods cannot be employed in the flow field. This study presents a novel method for simultaneously measuring the droplet size and real-time interfacial tension in a two-phase flow system. A T-shaped microdevice was designed and integrated with the two-phase flow equipment. The pressure variation as the droplets flowed through the microdevice was used as a probe to detect the two key parameters, that is, visualization is not required. Monodispersed and multidispersed droplet flows in different equipment were used to verify the method. Both the droplet size distribution and real-time interfacial tension can be determined using the developed approach.     

三维孔喉结构微通道内液滴的破裂行为研究

利用高速摄像仪研究了三维孔喉结构微通道内液滴的破裂行为。采用不同黏度的甘油-水溶液作为分散相,含4%（质量）表面活性剂（Span 20）的矿物油作为连续相。液滴通过孔喉结构后,观察到了三种流型：球形破裂、非球形破裂和不破裂。除极低连续相毛细数的情形外,分散相黏度和两相流量的增加不利于液滴破裂,液滴的破裂位置均接近于喉道出口。研究了液滴的球形破裂,结果表明,球形破裂中子液滴平均尺寸随分散相黏度和连续相流量的增加而降低,且与两相总毛细数呈幂律关系,模型预测值与实验结果吻合良好。     

Spray characterization: Numerical prediction of Sauter mean diameter and droplet size distribution

A simplified equation of the Nukiyama-Tanasawa type for droplet size distribution in sprays is obtained from the synergetic concept of entropy information, assuming spherical droplets and zero and infinity as their limit sizes. The introduction of Sauter mean diameter (SMD) definition in that equation yields a new distribution function dependent solely on SMD, which is calculated from available correlations for pressure-jet and pre-filming airblast atomizers. For plain-jet airblast atomizers a new and dimensionally consistent correlation is determined. Several droplet size distributions are then predicted. Experimental data are compared with predictions of SMD; the agreement is satisfactory.     

Formation of viscoelastic droplets in a step-emulsification microdevice

In this article, polyethylene oxide glycerin aqueous solution is used as the dispersed phase, and cyclohexane is used as the continuous phase to study the formation mechanism of viscoelastic fluid droplets in a step-emulsification microdevice. The formation process of viscoelastic droplets mainly includes three stages: two-dimensional expansion stage, necking stage, and pinch-off stage. The elasticity has basically no effect on the two-dimensional expansion stage, but it can delay the process of the necking stage and cause the beading phenomenon of droplets in the pinch-off stage. The results show that the effect of elasticity on the droplet size is weak, but it cannot be ignored. Moreover, the elasticity will be coupled with the viscous force to reduce the operating range of the dripping regime. Finally, the influence of the elasticity on the formation of satellite droplets is analyzed, and the method to prevent the influence of satellite droplets is proposed.