剪切流中乳液碰撞動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、乳液體系廣泛應(yīng)用于能源、化工、生醫(yī)、材料等前沿科技領(lǐng)域。乳液微流控技術(shù)(droplet microfluidics)是一種借助微流控過(guò)程中互不相溶流體間相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)微乳液液滴制備及精確操控的技術(shù)，在微混合、微反應(yīng)、生物封裝、功能材料制備、藥物運(yùn)輸與釋放等領(lǐng)域中極具發(fā)展前景，已成為國(guó)際上微流控技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的新熱點(diǎn)。乳液微流控過(guò)程中涉及系列復(fù)雜的界面現(xiàn)象及流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，如乳液的形變、破碎及其間的相互作用（聚并、碰撞等）、多相離散與匯聚及

2、其多界面演化等，直接影響到乳液微流控過(guò)程的操控精度與效率，從而決定了工程實(shí)際中乳液產(chǎn)品的外部形貌和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)等重要品質(zhì)指標(biāo)。乳液體系的多相界面演化及流體動(dòng)力學(xué)行為機(jī)理已成為乳液微流控技術(shù)基礎(chǔ)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。液滴碰撞是液滴群乳液體系中液滴間相互作用的基本形式，特別是在液滴密集度高的情況下，液滴碰撞行為直接影響乳液液滴在流場(chǎng)中的形態(tài)演變。因此，充分認(rèn)識(shí)液滴碰撞動(dòng)力學(xué)行為，不僅對(duì)多相流體動(dòng)力學(xué)具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對(duì)乳液液滴精密調(diào)控也具有重

3、要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文采用實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，開(kāi)展外流場(chǎng)內(nèi)單（雙）乳液液滴碰撞過(guò)程的動(dòng)力學(xué)行為的研究?；赩OF相界面追蹤方法，建立了外流場(chǎng)內(nèi)不可壓縮單乳液液滴和雙乳液液滴碰撞過(guò)程的非穩(wěn)態(tài)模型，并設(shè)計(jì)搭建了剪切流場(chǎng)中單（雙）乳液液滴碰撞的高速可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合數(shù)值模擬與可視化實(shí)驗(yàn)，研究了剪切流場(chǎng)內(nèi)乳液液滴碰撞過(guò)程中液滴的形變及相互作用等動(dòng)力學(xué)行為，探討了單（雙）乳液液滴不同碰撞行為的產(chǎn)生機(jī)理及其演化特

4、性，揭示了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、液滴尺寸、液滴結(jié)構(gòu)、液滴初始位置、流速等參數(shù)對(duì)乳液液滴碰撞動(dòng)力學(xué)行為的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)搭建剪切流場(chǎng)中單（雙）乳液液滴碰撞的高速可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，觀察到乳液液滴特別是雙乳液液滴在剪切流場(chǎng)內(nèi)碰撞過(guò)程中所出現(xiàn)的兩類動(dòng)力學(xué)行為:掠過(guò)式碰撞行為和回轉(zhuǎn)式碰撞行為。掠過(guò)式碰撞行為的特點(diǎn)是隨著剪切流場(chǎng)開(kāi)始作用，乳液液滴先變形為橢圓狀，隨后在流場(chǎng)拖曳力的作用下，液滴相互靠近并碰撞，直至液滴最終相互繞過(guò)對(duì)方，碰撞完成?；剞D(zhuǎn)式碰撞行為的碰撞特

5、點(diǎn)是隨著剪切流場(chǎng)開(kāi)始作用，液滴先變形為橢圓狀，隨后在流場(chǎng)拖曳力的作用下，液滴相互靠近一段距離后，液滴各自回轉(zhuǎn)并沿與初始運(yùn)動(dòng)方向相反的方向相互脫離?；赩OF液/液相界面追蹤方法的數(shù)值模擬復(fù)現(xiàn)了剪切流場(chǎng)中單（雙）乳液液滴的碰撞過(guò)程中出現(xiàn)的掠過(guò)式碰撞行為和回轉(zhuǎn)式碰撞行為。在乳液液滴碰撞的演化過(guò)程中明顯地觀察到了兩種不同的流動(dòng)區(qū)域，分別為橫掠流區(qū)域和回轉(zhuǎn)流區(qū)域。掠過(guò)式碰撞行為和回轉(zhuǎn)式碰撞行為形成的原因主要取決于橫掠流區(qū)域和回轉(zhuǎn)流區(qū)域各自對(duì)碰撞

6、液滴拖曳作用的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，即當(dāng)橫掠流區(qū)域的拖曳作用強(qiáng)于回轉(zhuǎn)流的拖曳作用時(shí)，乳液液滴便出現(xiàn)掠過(guò)式碰撞行為，反之則出現(xiàn)回轉(zhuǎn)式碰撞行為。對(duì)比剪切流場(chǎng)內(nèi)單乳液液滴碰撞過(guò)程與雙乳液液滴碰撞過(guò)程中液滴動(dòng)力學(xué)行為之間的差異，揭示了內(nèi)液滴在液滴碰撞過(guò)程中存在著的“促形變”及“抑形變”機(jī)制。由于雙乳液液滴獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，雙乳液內(nèi)液滴的存在對(duì)外液滴的形變存在兩種影響機(jī)制:(a)內(nèi)外液滴界面形成了兩個(gè)“喉部”，“喉部”處的壓力小，使得頸部外界面處的壓力梯度減小

7、，短軸方向上界面曲率半徑增加，雙乳液液滴往扁長(zhǎng)方向發(fā)展，促進(jìn)雙乳液液滴的拉伸形變;(b)內(nèi)液滴端部的高壓區(qū)向著外液滴的短軸方向靠近，雙乳液外液滴界面處壓力梯度會(huì)相應(yīng)增加，短軸方向上界面曲率半徑減小，雙乳液液滴向趨于球形趨勢(shì)發(fā)展，減小了液滴形變的伸長(zhǎng)量，抑制了雙乳液外液滴的拉伸形變?；跀?shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，探索了流場(chǎng)受限程度、流場(chǎng)流速、乳液液滴的初始位置以及乳液液滴的結(jié)構(gòu)尺寸等工況參數(shù)對(duì)單（雙）乳液液滴動(dòng)力學(xué)行為的定量影響規(guī)律

8、。研究表明：隨著剪切流場(chǎng)受限程度的增加，回轉(zhuǎn)流流動(dòng)區(qū)域在外流場(chǎng)所占的比例增加，乳液液滴暴露于回轉(zhuǎn)流流動(dòng)區(qū)域的份額增加，受到卷吸作用增強(qiáng)，碰撞模式從掠過(guò)碰撞行為向回轉(zhuǎn)碰撞行為轉(zhuǎn)變;受限程度的增加，加速了乳液液滴的運(yùn)動(dòng)，縮短了液滴間相互作用的時(shí)間，增大了乳液液滴在碰撞過(guò)程中軌跡偏向流場(chǎng)中心的偏移量，增大了乳液液滴的形變量；隨著毛細(xì)數(shù)的增大，乳液液滴位于橫掠流區(qū)域的體積逐漸增加，液滴受到的拖曳力逐漸增大，當(dāng)液滴受到的拖曳力作用強(qiáng)于液滴所受到的

9、卷吸作用時(shí)，液滴的碰撞行為從回轉(zhuǎn)式向掠過(guò)式轉(zhuǎn)變;毛細(xì)數(shù)的增大，加速了乳液液滴的運(yùn)動(dòng)，使得液滴碰撞過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間減小，并且流場(chǎng)剪切強(qiáng)度增大，增大了乳液液滴所受到的粘性剪切力，使得液滴在相互作用過(guò)程中被拉伸的形變量增大；隨著兩個(gè)乳液液滴間初始間距增大，乳液液滴遠(yuǎn)離流場(chǎng)中的回轉(zhuǎn)流流動(dòng)區(qū)域，使得乳液液滴受到的拖曳力部分有所增加，乳液液滴的碰撞模式從回轉(zhuǎn)式碰撞行為向掠過(guò)式碰撞行為轉(zhuǎn)變；隨著雙乳液內(nèi)外液滴半徑比增大，內(nèi)外液滴的形變趨勢(shì)從過(guò)阻尼振蕩