T型微通道内液滴形成过程及长度的实验研究

微流控芯片

利用高速摄像机研究截面为400×400 μm的正T型微通道内液-液两相流动特性，离散相（硅油）和连续相的体积流量范围分别为1~5、2~110 mL/h. 结果表明，两相流型主要为弹状流和滴状流，前者的形成机理为挤压机理，后者为剪切机理. 液滴的长度随离散相体积流量和离散相与连续相体积流量之比的增大而增大，随连续相的体积流量和毛细数的增大而降低. 液柱长度的变化规律与液滴长度相反. 液滴生成时间随离散相与连续相的体积流量的增大而逐渐降低，剪切机理生成液滴所需时间小于挤压机理. 依据实验结果，采用离散相与连续相体积流量比和连续相的毛细数，总结出无量纲液滴、液柱长度及液滴生成时间的预测关联式.

微通道内两相流动广泛应用于能源、化工、生物医药及芯片实验室等领域，近年来受到越来越多的关注. 依据离散相与连续相种类的不同，微通道内两相流动主要分为气-液和液-液两类，涉及的流型有弹状流（Taylor流）、滴状流和环形流. 与常规通道相比，微通道内两相流动具有流型稳定、表面积与体积比较大（大幅强化传热、传质）、操作安全等优点. 现阶段对于微通道内液−液两相流的研究主要分析不同的微通道形式（T型、十字交叉型、Y型）对两相系统内部液滴形成/破裂过程、液滴长度、速度、两相流型等参数的影响规律.

T型微通道构造简单，广泛应用于微液滴生成装置. 依据离散相与连续相入口的夹角，T型微通道主要分为两类：正T型（夹角为180°）和侧T型（夹角为90°）. Garstecki等利用数值模拟方法，分析侧T型微通道内液滴的生成过程，指出液滴生成主要存在2种不同的机理：挤压机理和剪切机理. Fu等观测侧T型微通道内部的流型，指出长气泡主要由挤压机理生成，离散气泡主要由剪切机理形成. Yao等的实验结果表明对于正T型通道，当连续相无法较好地润湿通道壁面时，挤压机理向剪切机理转变的临界毛细数低于润湿性表面的工况。液滴与液柱的长度直接影响微液滴的传热、传质特性，Wu等分析微通道内液滴长度的变化规律，并利用离散相与连续相的体积流量之比和连续相毛细数，总结出无量纲液滴长度的表达式.

虽然现有文献已有涉及到微通道内液滴生成规律的研究，但对于正T型通道的研究不足，尤其是在液柱长度及液滴生成时间方面. 采用不同工作介质的微流动系统，其内的液滴、液柱长度与液滴生成时间的规律有一定的不同. 本研究主要以硅油和质量分数为0.5% 的十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate, SDS）蒸馏水作为离散相和连续相，分析截面为400×400 μm的正T型微通道内液滴生成规律，并总结液滴、液柱长度及液滴生成时间的预测关联式.

T型微通道液-液两相流动实验系统及测试段如图1所示. 离散相（硅油）和连续相（0.5% SDS蒸馏水）由2台注射泵驱动，流入T型微通道实验段. 在通过实验段后，两相混合液体流入集液器. 实验段与注射泵及集液器之间采用内径为3 mm的硅胶管连接. 工质的黏度由乌氏黏度计（LVDV-II，Brookfield，USA）测量，连续相与离散相的黏度分别为0.000 92、0.010 00 Pa·s. 两相之间的表面张力由表面张力仪（DCAT11EC，Dataphysics，Germany）获得，为0.021 N/m. 利用高速摄像机拍摄微通道内的两相流型图片，采用150 W的背光源提供清晰拍摄所需的光照强度. 实验段的材质为亚克力玻璃，采用精密机械加工的方法刻出实验所需的微槽道（截面尺寸为W×H=400×400 μm）及螺栓孔. 用相同尺寸的亚克力玻璃作为盖板，盖板和刻槽板之间利用螺栓压紧密封.

如图2所示为实验图片的处理过程. 图中，Lc为液柱长度，即2个连续的液滴之间的长度；Ld为液滴长度；Luc为微液滴单元长度，即一组液滴与液柱长度之和. 本研究采用MATLAB软件中的Canny算法，处理微通道内流型图片，获得液滴的轮廓线，利用像素的相对大小，分析液滴、液柱的长度.

微液滴形成过程分析

在实验过程中，如图3所示为2种流型下液滴生成过程示意图. 可以看出，2种流型对应的液滴生成位置与液滴生成时间明显不同. 如图3（a）所示，当连续相流速较低时，T型微通道内主要为弹状流. 随着时间增加，离散相逐渐充满T型通道的交汇区域（100 ms）. 而后，离散相一方面向通道下游发展，另一方面在交汇区域所占的比重逐渐减小（200~300 ms），导至交汇区域的液-液界面逐渐向离散相入口侧收缩. 当τ=385~400 ms时，靠近交汇区域下游离散相液滴尾部逐渐拉伸、剪断，形成周期性的弹状液滴. 对于高体积流量工况，微通道内主要为滴状流. 如图3（b）所示，随着连续相体积流量的增大，离散相无法完全充满和阻塞T型通道的交汇区域. 离散相向通道下游发展，在连续相的剪切力及两相的表面张力作用下，断裂形成长度较小的滴状流. 对比图3（a）、（b）可以看出，滴状流形成的时间远低于弹状流，对应更高的生成频率，同时滴状流完全破裂生成液滴对应的位置距离交汇区域更远，通道内主要为滴状流流型.

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