微通道内纳米颗粒对液滴聚并的影响规律

Pickering 乳液是纳米颗粒稳定的液液两相体系,微流控技术是制备单分散Pickering 乳液的有效方法,而含有纳米颗粒体系在微通道内的液滴聚并规律是该实施方法的关键科学问题之一。以正辛醇为连续相,水为分散相,研究了六边形扩大微通道内液滴碰撞过程,发现了液滴聚并、碰撞不聚并和不相互接触3 种流动状态,研究了流量、颗粒浓度和颗粒亲疏水性对于液滴聚并率的影响规律,分析了颗粒在液膜排空过程中的作用机理。     

局部几何构型对聚焦流微通道内液滴生成特性的影响

在微流控技术中,微通道结构的优化设计是一种被动实现液滴精确调控的有效方法。为探究分散相入口、通道下游孔口以及二者共存模式下的通道结构变化对液滴生成特性的影响,采用VOF / CSF耦合level set的界面捕捉法对聚焦流微通道内的液滴生成开展了数值模拟研究。结果表明,当孔口为单一变量时,液滴生成周期和直径随孔口宽度呈近线性增大,且颈部宽度收缩率随孔口宽度的增大而不断减小。孔口的收缩有助于强化连续相Y方向的挤压和X方向的黏性剪切作用。当孔口宽度较小,聚焦作用较强时,液滴生成周期和直径整体上对分散相入口竖直和水平边锥形角的变化并不敏感;此时,孔口对连续相的聚焦效应主要影响液滴的生成特性。当孔口和分散相入口水平边锥形角θ₂同步变化时,二者可协同影响液滴的生成。孔口宽度的增大削弱了孔口的聚焦作用,液滴挤压破裂时间在单个周期中的占比逐渐增大。此外,当孔口宽度较大时,液滴生成开始对θ₂敏感,其周期和直径随θ₂增大而增大,且液滴可从滴流向射流模式转变。     

微通道内气泡和液滴自组织行为的研究进展

微流体技术良好的可控性为制备高通量的单分散性气泡或液滴提供了新的途径，气泡和液滴的流动行为因在材料领域具有较大的应用前景而受到关注。综述了近年来微通道内气泡和液滴自组织行为的研究进展。气泡或液滴自组织晶格具有周期性的流动特征，自组织行为受分散相体积分数、液滴或气泡尺寸、聚并效应和通道构型的影响。展望了气泡和液滴自组织行为研究过程中待解决的关键科学问题，为进一步的模拟和实验研究提供了参考。     

基于显微图像识别的微流控液滴聚并研究

微流控技术作为操控微米尺度液滴的重要手段,受到普遍关注。显微摄像是微流控过程的主要研究方法,以往主要通过人工观察识别的方式获取关键参数,工作效率低、数据量小,限制了针对复杂微流控过程的深入认识。提出了一种基于MATLAB图像处理程序的微流控液滴聚并研究方法,通过背景提取、背景扣除、掩膜二值化、噪声消除、区域填充、形态开启、边界物体移除、干扰滤除等过程,实现六边形扩大通道内液滴聚并显微实验视频的数值化,进一步通过识别液滴投影面积、质心、偏心率等信息,研究了液滴运动速度和液膜的排空时间等微流控聚并关键参数的变化规律。     

直流脉冲电场下液滴-界面聚并行为

为了深入探究直流脉冲电场下液滴-界面聚并行为,针对去离子水作为分散相、葵花油作为连续相的体系,分别改变电场参数（电场强度、频率、波形）和物性参数（界面张力、电导率、液滴粒径、固体颗粒）进行显微实验研究,得到了液滴-界面聚并机制及各参数的影响规律。实验结果表明,液滴-界面存在完全聚并和不完全聚并两种机制,决定因素是泵吸和颈缩过程的相互作用。电场强度增大,不完全聚并程度增大,而电场频率的作用则相反,这与电场力大小和液滴稳定程度有关。随表面活性剂浓度增大,二次液滴急剧增大,超过临界胶束浓度后,小幅减小。随电导率和SiO₂浓度增大,不完全聚并程度均先增大后减小,而随液滴粒径增大,不完全聚并程度持续增大。大部分工况下,液滴在直流稳恒电场下不完全聚并程度高于直流脉冲电场。为脉冲静电破乳机理的深入探讨及高效紧凑脉冲电脱盐脱水设备的研发奠定了理论基础。     

液滴微流控的集成化放大方法研究进展

相比于传统乳化方法,液滴微流控技术可以在微通道内可控制备单分散液滴模板用于合成各种功能微球,被广泛应用于生物、医疗、制药、环境等领域。由于单个液滴制备微流控单元的产量低,液滴微流控的集成化放大成为了液滴微流控技术面向工业应用的技术难点。本文综述了近年来液滴微流控集成化放大方法的研究进展,重点介绍了不同类型液滴制备微流控单元集成化放大的研究进展,包括基于剪切力形成液滴、基于界面张力形成液滴和基于被动分裂形成液滴的液滴制备微流控单元的集成化放大方法。     

直流脉冲电场下液滴-界面聚并行为

为了深入探究直流脉冲电场下液滴-界面聚并行为,针对去离子水作为分散相、葵花油作为连续相的体系,分别改变电场参数(电场强度、频率、波形)和物性参数(界面张力、电导率、液滴粒径、固体颗粒)进行显微实验研究,得到了液滴-界面聚并机制及各参数的影响规律。实验结果表明,液滴-界面存在完全聚并和不完全聚并两种机制,决定因素是泵吸和颈缩过程的相互作用。电场强度增大,不完全聚并程度增大,而电场频率的作用则相反,这与电场力大小和液滴稳定程度有关。随表面活性剂浓度增大,二次液滴急剧增大,超过临界胶束浓度后,小幅减小。随电导率和SiO_2浓度增大,不完全聚并程度均先增大后减小,而随液滴粒径增大,不完全聚并程度持续增大。大部分工况下,液滴在直流稳恒电场下不完全聚并程度高于直流脉冲电场。为脉冲静电破乳机理的深入探讨及高效紧凑脉冲电脱盐脱水设备的研发奠定了理论基础。     

重力对微圆管中H2SO4/正己烷体系流动特性影响的数值模拟

采用VOF模型对U型微圆管中H_2SO_4/正己烷两相的流动特性受重力的影响进行了三维数值模拟。比较了U型微圆管中的竖直向上、竖直向下和水平方向的液滴的流动形态。结果表明重力会改变液滴的尺寸和界面形态,竖直向上运动时液滴的尺寸最大。分析了该通道中的压力分布,结果表明竖直向上流动时压降最大,水平次之,竖直向下最小。分析了通道中流体的内部流场,发现重力会改变通道中流体内部的流场分布,但并不会引起流体宏观运动速度的明显改变。     

波浪结构超疏水表面对液滴聚并弹跳的影响

液滴自发聚并在自然和工业中广泛存在,如何高效去除聚并液滴是强化滴状冷凝换热、防结冰等的重要环节。采用数值模拟方法研究了不同半径比液滴在超疏水平壁面和超疏水波浪形壁面上的聚并起跳行为。研究发现,在平壁面上聚并的液滴水平速度与竖直速度差1～2个数量级,液滴的水平方向位移小,聚并后难以有效去除;在波浪形壁面上,由于液桥撞击在斜面上,产生较大的水平分力,聚并后其水平速度保持与竖直速度在同一数量级,水平位移显著增大;并且波浪结构对液滴弹跳过程影响显著,随波浪高宽比的增大液滴水平位移增大且弹跳高度减小,有效促进了液滴的水平运动,且当高宽比为0.21时,促进作用接近峰值。研究结果为聚并液滴的有效去除提供了新参考。     

波浪结构超疏水表面对液滴聚并弹跳的影响

液滴自发聚并在自然和工业中广泛存在,如何高效去除聚并液滴是强化滴状冷凝换热、防结冰等的重要环节。采用数值模拟方法研究了不同半径比液滴在超疏水平壁面和超疏水波浪形壁面上的聚并起跳行为。研究发现,在平壁面上聚并的液滴水平速度与竖直速度差1～2个数量级,液滴的水平方向位移小,聚并后难以有效去除;在波浪形壁面上,由于液桥撞击在斜面上,产生较大的水平分力,聚并后其水平速度保持与竖直速度在同一数量级,水平位移显著增大;并且波浪结构对液滴弹跳过程影响显著,随波浪高宽比的增大液滴水平位移增大且弹跳高度减小,有效促进了液滴的水平运动,且当高宽比为0.21时,促进作用接近峰值。研究结果为聚并液滴的有效去除提供了新参考。     

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。     

速度对液滴撞击超疏水壁面行为特性的影响

通过可视化实验研究了直径为2.58 mm的液滴在不同速度下撞击静态接触角为156°超疏水壁面后的运动特性,其液滴Weber数在8~310之间。实验利用光学原理在同一画面上同时记录了液滴撞击壁面过程的正面及底面图像。实验结果表明:液滴撞击壁面的速度对液滴的前进角、后退角,三相接触线的速度以及液滴反弹后的空中运动特性都有较大的影响;液滴高速撞击超疏水壁面后会产生明显的液指及多组卫星液滴,回缩阶段相邻的液指发生聚并直至液滴完全回缩。     

微通道内非牛顿流体中液滴生成机理研究进展

微流体技术良好的可控性为制备均一可控的微液滴提供了新的途径,而非牛顿流体因广泛的应用而受到关注。综述了近年来剪切变稀和黏弹性两类典型非牛顿流体中液滴生成机理的研究进展。围绕流动聚焦型和T型微通道两种典型微通道构型,介绍了非牛顿流体分别作为分散相和连续相时液滴生成过程的界面演化动力学,并与牛顿流体液滴生成过程进行了对比,分析了剪切变稀特性和弹性对主液滴和卫星液滴生成的影响。展望了非牛顿流体液滴生成过程待解决的关键科学问题,为进一步的模拟和实验研究提供了借鉴和参考。     

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。     

大深宽比双T形微通道内液-液两相流可视化研究

通过高速摄像对水力直径0.176mm、深宽比2.4的双T形矩形微通道内的液-液两相流动进行了可视化实验研究。改变连续相（硅油）和分散相（水）的流量比,记录分析了微通道不同部位油-水两相流的流型和流型发展演化情况。实验结果表明,在微通道上游T形部位的油-水两相流型主要包括滴状流、弹状流、波平行流和平行流;在微通道的中间部位,绘制了基于水和硅油量纲为1韦伯数的流型图,并将其与相关文献进行了比较。同时,发现微通道内液塞及液滴的长度（量纲为1）与油/水流量比之间存在线性关系,液塞/液滴速度比两相混合物表观速度大,建立了能够准确描述液塞/液滴运动速度的实验拟合公式。最后,研究了液滴在微通道下游T形部位的行为,观察到断裂和不断裂两种模式并进行了分析,给出了划分断裂与否的流型图。     

二元液滴自由碰撞聚并后的振荡行为研究

以甲苯、超纯水为多相系统研究对象,采用高速摄像机测试分析了二元液滴自由碰撞聚并后的振荡行为特性。实验结果表明,聚并后甲苯液滴振荡过程存在明显的周期性与阻尼衰减机制,液滴Reynolds数、Weber数是影响聚并后液滴振荡周期、阻尼系数的关键无量纲参数。液滴惯性力与振荡周期呈正相关性,而液滴黏性力则主导了振荡过程的阻尼衰减机制,振荡阻尼系数随黏性力的增加而增加,同时,液滴碰撞聚并作用与其后续振荡过程相对独立,即碰撞聚并过程对液滴振荡行为特性无明显影响。此外,液滴振荡过程特性参数的实验与理论计算对比结果显示,振荡周期实验结果相较于理论值略微偏高,振荡周期、阻尼系数实验与计算值相对误差的标准差分别为14.9%和44.9%。     

液滴滴浸微通道入口段的动力学特性分析

采用流体体积(Volume of Fluid, VOF)函数捕捉气液相界面,研究液滴滴浸微通道入口段的运动,通过改变微通道入口段的截面宽度、润湿特性及液滴雷诺数(Re)和韦伯数(We)研究滴浸过程的动力学特性。结果表明,微通道入口段的截面宽度对液滴浸入微通道时的撞击过程影响最明显,随截面宽度减小,液滴撞击通道入口后通过微通道的难度增加,整个过程液滴所受阻力逐渐增大;当微通道截面宽度减至0.2 mm时,壁面润湿性效应凸显,表现为壁面静态接触角越大,液滴滴浸微通道时所受的阻力也越大。表面接触角较大时,为使液体通过微通道入口段,可适当增大液滴的Re,液体在通道内的浸润长度随Re增加成比例增大,当Re增至4000时,通道内开始出现射流现象。We减小,表面张力效应变得明显,通道内的流动阻力变大,液体流过微通道入口段的难度增大。     

液滴流微反应器的基础研究及其应用

综述了近些年来快速发展的液滴微流控技术, 回顾了微流控系统中液滴的基本行为, 如液滴的生成、运动、聚并和分裂等研究进展, 重点探讨微液滴作为反应器其内部的流动、传质和反应过程, 以及液滴流微反应器已有的和潜在的重要应用价值。通过精确调控液滴在微尺度上的行为(产生、聚并与分裂、内部的混合与反应等), 使单个液滴成为新型受限空间内的微型间歇反应器, 而微通道内的液滴流进而形成了若干间歇反应器构成的连续流反应器新型式。除了微流控技术普遍具有的微小尺寸效应带来传质传热强化、易于放大等优势外, 液滴流微反应器还具有诸如避免试剂交叉污染、液滴内部可控混合、易于独立调控、便于高通量筛选或者制备等独特特点, 使得其在功能材料制备、化学合成以及生物化工方面有着广泛的应用。     

湍流分散系统中液滴尺寸的模拟与研究

在考虑分散相黏度对液滴破碎频率影响的基础上,进一步研究了分散相黏度对液滴聚并的影响.在液膜排液时间的计算式中,引入了分散相黏度,建立了新的液滴聚并频率的表达式.通过数值求解群体平衡方程,得出搅拌槽内液-液湍流分散系统的Sauter平均直径.与实验数据比较发现,改进模型可以较好地预测分散系统的Sauter平均直径,其结果优于Coulaloglou 和 Tavlarides模型.计算结果表明分散相黏度对液滴平均直径有着双重影响,抑制破碎,导致液滴直径增大;抑制聚并,从而导致液滴直径减小.     

十字聚焦型微通道内弹状液滴在黏弹性流体中的生成与尺寸预测

利用高速摄像仪对十字聚焦微通道内液滴在黏弹性流体中的生成过程进行了实验研究。微通道截面为600μm×600 μm 的正方形结构,采用硅油作为分散相,含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的聚环氧乙烷(PEO)水溶液(质量分数分别为0.1%,0.3%,0.6%)为连续相。实验观察到了弹状流、滴状流和喷射流3 种流型。对弹状流型下液滴生成过程的颈部动力学进行了研究,考察了两相流率、连续相毛细数及弹性数对液滴尺寸的影响。结果表明:弹状液滴尺寸随连续相流率、毛细数及弹性数的增加而减小,随分散相流率的增加而增加,连续相弹性对液滴尺寸的影响相对较小。以油水两相流率比和连续相的毛细数及Reynolds 数为变量建立了弹状液滴尺寸的预测关联式,预测值与实验值吻合良好。