剪切流中乳液碰撞動力學行為研究.pdf

1、乳液體系廣泛應用于能源、化工、生醫(yī)、材料等前沿科技領域。乳液微流控技術(droplet microfluidics)是一種借助微流控過程中互不相溶流體間相互作用來實現(xiàn)微乳液液滴制備及精確操控的技術，在微混合、微反應、生物封裝、功能材料制備、藥物運輸與釋放等領域中極具發(fā)展前景，已成為國際上微流控技術領域發(fā)展的新熱點。乳液微流控過程中涉及系列復雜的界面現(xiàn)象及流體動力學問題，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程的操控精度與效率，從而決定了工程實際中乳液產品的外部形貌和內部微結構等重要品質指標。乳液體系的多相界面演化及流體動力學行為機理已成為乳液微流控技術基礎研究的前沿熱點。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中的形態(tài)演變。因此，充分認識液滴碰撞動力學行為，不僅對多相流體動力學具有重要的學術價值，而且對乳液液滴精密調控也具有重

3、要的現(xiàn)實意義。
　　本文采用實驗觀測、理論分析、數(shù)值模擬相結合的研究方法，開展外流場內單（雙）乳液液滴碰撞過程的動力學行為的研究?；赩OF相界面追蹤方法，建立了外流場內不可壓縮單乳液液滴和雙乳液液滴碰撞過程的非穩(wěn)態(tài)模型，并設計搭建了剪切流場中單（雙）乳液液滴碰撞的高速可視化實驗平臺，結合數(shù)值模擬與可視化實驗，研究了剪切流場內乳液液滴碰撞過程中液滴的形變及相互作用等動力學行為，探討了單（雙）乳液液滴不同碰撞行為的產生機理及其演化特

4、性，揭示了流場結構、液滴尺寸、液滴結構、液滴初始位置、流速等參數(shù)對乳液液滴碰撞動力學行為的影響規(guī)律。設計搭建剪切流場中單（雙）乳液液滴碰撞的高速可視化實驗平臺，觀察到乳液液滴特別是雙乳液液滴在剪切流場內碰撞過程中所出現(xiàn)的兩類動力學行為:掠過式碰撞行為和回轉式碰撞行為。掠過式碰撞行為的特點是隨著剪切流場開始作用，乳液液滴先變形為橢圓狀，隨后在流場拖曳力的作用下，液滴相互靠近并碰撞，直至液滴最終相互繞過對方，碰撞完成。回轉式碰撞行為的碰撞特

5、點是隨著剪切流場開始作用，液滴先變形為橢圓狀，隨后在流場拖曳力的作用下，液滴相互靠近一段距離后，液滴各自回轉并沿與初始運動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)值模擬復現(xiàn)了剪切流場中單（雙）乳液液滴的碰撞過程中出現(xiàn)的掠過式碰撞行為和回轉式碰撞行為。在乳液液滴碰撞的演化過程中明顯地觀察到了兩種不同的流動區(qū)域，分別為橫掠流區(qū)域和回轉流區(qū)域。掠過式碰撞行為和回轉式碰撞行為形成的原因主要取決于橫掠流區(qū)域和回轉流區(qū)域各自對碰撞

6、液滴拖曳作用的競爭關系，即當橫掠流區(qū)域的拖曳作用強于回轉流的拖曳作用時，乳液液滴便出現(xiàn)掠過式碰撞行為，反之則出現(xiàn)回轉式碰撞行為。對比剪切流場內單乳液液滴碰撞過程與雙乳液液滴碰撞過程中液滴動力學行為之間的差異，揭示了內液滴在液滴碰撞過程中存在著的“促形變”及“抑形變”機制。由于雙乳液液滴獨特的結構特點，雙乳液內液滴的存在對外液滴的形變存在兩種影響機制:(a)內外液滴界面形成了兩個“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，雙乳液液滴往扁長方向發(fā)展，促進雙乳液液滴的拉伸形變;(b)內液滴端部的高壓區(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相應增加，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發(fā)展，減小了液滴形變的伸長量，抑制了雙乳液外液滴的拉伸形變。基于數(shù)值模擬與實驗研究相結合的方法，探索了流場受限程度、流場流速、乳液液滴的初始位置以及乳液液滴的結構尺寸等工況參數(shù)對單（雙）乳液液滴動力學行為的定量影響規(guī)律

8、。研究表明：隨著剪切流場受限程度的增加，回轉流流動區(qū)域在外流場所占的比例增加，乳液液滴暴露于回轉流流動區(qū)域的份額增加，受到卷吸作用增強，碰撞模式從掠過碰撞行為向回轉碰撞行為轉變;受限程度的增加，加速了乳液液滴的運動，縮短了液滴間相互作用的時間，增大了乳液液滴在碰撞過程中軌跡偏向流場中心的偏移量，增大了乳液液滴的形變量；隨著毛細數(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，當液滴受到的拖曳力作用強于液滴所受到的

9、卷吸作用時，液滴的碰撞行為從回轉式向掠過式轉變;毛細數(shù)的增大，加速了乳液液滴的運動，使得液滴碰撞過程所花費的時間減小，并且流場剪切強度增大，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程中被拉伸的形變量增大；隨著兩個乳液液滴間初始間距增大，乳液液滴遠離流場中的回轉流流動區(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式碰撞行為向掠過式碰撞行為轉變；隨著雙乳液內外液滴半徑比增大，內外液滴的形變趨勢從過阻尼振蕩