2 結(jié)果與討論

2.1 Y 型微通道內(nèi)液液兩相流流型特征在正交 T 型微通道中隨連續(xù)相毛細(xì)數(shù) (Cac =ηv/γ，η 和 v 分別是連續(xù)相的黏度和速度，γ 為二相介質(zhì)間的界面張力) 的變化，微液滴的形成過程表現(xiàn)出擠壓、滴流和噴射這 3 種不同的機(jī)制. 當(dāng)連續(xù)相毛細(xì)數(shù)值較小時(shí)，液滴是在分散相對(duì)連續(xù)相的流動(dòng)阻力和其內(nèi)部表面張力相互作用的情況下形成的. 此時(shí)，液滴的形成為擠壓機(jī)制. 當(dāng)連續(xù)相毛細(xì)數(shù)不斷增大超過某一臨界值后，液滴的形成進(jìn)入滴流機(jī)制，此機(jī)制下，液滴的形成是液滴內(nèi)部的表面張力和其所受的剪切力相互作用的結(jié)果. 而最新的研究表明在擠壓和滴流機(jī)制之間，存在著一個(gè)明顯的過渡機(jī)制.

本文驗(yàn)證了在 Y 型微通道下，隨連續(xù)相毛細(xì)數(shù)的增長(zhǎng)液滴先后經(jīng)歷了擠壓、過渡和滴流這 3 種不同的形成機(jī)制. 對(duì)應(yīng)不同的機(jī)制，可得到不同的流型，而分散相毛細(xì)數(shù) (Cad) 的變化對(duì)液滴的形成機(jī)制沒有直接的影響. 在擠壓機(jī)制下，分散相形成段塞流 (圖 3(c))，其液滴長(zhǎng)度 L > 2w (w 為主通道的寬度). 在過渡機(jī)制下，形成的彈狀流液滴呈卵石型 (圖3(b))，而滴流機(jī)制下的液滴流液滴近似圓球 (圖 3(a)).此外通過實(shí)驗(yàn)還觀察到柱狀流 (圖 3(d)) 及并行流 (圖3(e)). 柱狀流為不穩(wěn)定流型，隨著穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)，此流型會(huì)逐漸向穩(wěn)定流型并行流轉(zhuǎn)變. Y 型微通道內(nèi)典型流型如圖 3 所示，以 Y 型角度為 90? 為例.

圖 3 高速攝影技術(shù)拍攝的 Y 型微通道內(nèi)液液兩相典型流型圖(α = 90?)

2.2 液滴破裂過程中兩相液體的速度及壓力分布

圖 4 為分別利用高速攝影、顯微粒子圖像測(cè)速技術(shù)及數(shù)值模擬得到的 Y 型微通道內(nèi)液滴在擠壓機(jī)制下的破裂過程及對(duì)應(yīng)的連續(xù)相速度矢量圖，以 Y型角度為 45? 為例. 由于兩相液體以一定角度相向交匯，導(dǎo)致連續(xù)相液體速度在交匯處大部分發(fā)生偏轉(zhuǎn)，剩下一部分液體還保持原來的速度方向. 進(jìn)入主通道后，連續(xù)相速度方向相切于兩相界面，隨著分散相逐漸進(jìn)入主通道，連續(xù)相速度矢量保持與兩相界面相切，直至分散相破裂. 說明 Y 型微通道內(nèi)分散相液滴的破裂除受到其內(nèi)部的表面張力外主要受到來自連續(xù)相的剪切作用. 由圖 4 可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠較好吻合，驗(yàn)證了利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行微尺度下兩相流研究的可靠性. Y 型角度不同，兩相液體在交匯處所成角度也存在差異，如圖 5所示. 隨著 Y 型角度的減小，在交匯處連續(xù)相速度方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的比例逐漸減小，來自連續(xù)相流量的速度矢量在兩相交匯處與兩相界面所成角度逐漸減小，即來自連續(xù)相流量的剪切作用更顯著.

圖 4 Y 型微通道內(nèi)液滴破裂過程及對(duì)應(yīng)的連續(xù)相速度矢量圖

圖 5 不同角度 Y 型微通道內(nèi)兩相液體交匯處連續(xù)相速度矢量圖

圖 6 為 Y 型微通道主通道橫截面內(nèi)，由顯微粒子圖像測(cè)速技術(shù)測(cè)量的連續(xù)相液體隨分散相液滴逐漸形成過程中的速度曲線. 圖 7 為對(duì)照顯微粒子圖像測(cè)速技術(shù)實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)值模擬方法得到的在液滴破裂過程中，微通道內(nèi)兩相液體的壓力云圖，用以解釋連續(xù)相速度剖面發(fā)生變化的原因，以 Y 型角度為 45? 為例. 首先由圖 6 觀察到當(dāng)分散相開始進(jìn)入主通道時(shí)，連續(xù)相速度剖面同微通道內(nèi)液體單向流動(dòng)時(shí)的泊肅葉 (Poiseuille) 分布一致，速度大小保持拋物線型，即通道中間速度最大，其大小達(dá)到連續(xù)相液體入口速度 (0.02 m/s)，靠近通道壁面的速度最小(接近 0 m/s). 而隨著時(shí)間的增加，分散相逐漸進(jìn)入主通道中，連續(xù)相速度剖面雖然還保持為拋物線型，但是拋物線的頂點(diǎn)速度變大，增大的幅度達(dá)到連續(xù)相入口速度的 10% (約為 0.022 m/s)，曲線更陡峭. 結(jié)合圖 7 觀察到在液滴生成過程中，液滴頭部的壓力最大，同時(shí)與之相對(duì)應(yīng)的主通道內(nèi)連續(xù)相壓力也有所增大，說明分散相向主通道運(yùn)動(dòng)的同時(shí)擠壓著靠近其頭部的連續(xù)相液體，因此使得受到擠壓的連續(xù)相液體中間速度變大，解釋了連續(xù)相速度拋物線頂點(diǎn)速度變大的原因. 而對(duì)于與分散相頭部相切的連續(xù)相液體，速度剖面中的速度拋物線頂點(diǎn)向上壁面移動(dòng)，且峰值變大；當(dāng)主通道的某一橫截面內(nèi)同時(shí)被連續(xù)相和分散相占據(jù)時(shí)，連續(xù)相的最大速度達(dá)到最大值，增大幅度約為連續(xù)相入口速度大小的 2 倍左右(約為 0.035 m/s)，且速度拋物線頂點(diǎn)繼續(xù)向上壁面移動(dòng) (圖 6). 這說明連續(xù)相受到來自分散相的擠壓作用更大，才導(dǎo)致其速度變大. 此外由圖 7(a)～7(c) 可知，隨著連續(xù)相在兩相交匯處壓力的增大，液滴開始發(fā)生頸縮，且在分散相通道與主通道交點(diǎn)處液滴內(nèi)部的壓力逐漸由 310 Pa 增大至 370 Pa，且交點(diǎn)處的最大壓力面積發(fā)生擴(kuò)散，最后在壓力最大位置的中心處發(fā)生破裂. 而在兩相交匯位置處，連續(xù)相液體的內(nèi)部壓力隨著分散相開始進(jìn)入主通道而變大，變化幅度約為 100 Pa；當(dāng)液滴開始頸縮后，連續(xù)相內(nèi)部壓力繼續(xù)增大至 250 Pa；當(dāng)液滴即將發(fā)生破裂時(shí)，連續(xù)相內(nèi)部壓力不再繼續(xù)增大，而是發(fā)生小幅度減小，壓力降至 225 Pa (圖 7(d))；隨著分散相液滴完成破裂后，連續(xù)相在分散相頸縮附近的壓力繼續(xù)下降至 100 Pa(圖 7(e))，此后進(jìn)入液滴生成的下一周期，說明液滴的生成伴隨著兩相流壓力的周期性變化.

圖 6 顯微粒子圖像測(cè)速技術(shù)測(cè)量的 Y 型微通道主通道距離兩相交匯 600 μm 處橫截面上的連續(xù)相速度剖面

圖 7 數(shù)值模擬液滴生長(zhǎng)過程中，Y 型微通道內(nèi)兩相流壓力云圖

2.3 液滴直徑及生成時(shí)間的影響因素分析

圖 8 為經(jīng)過高速攝影拍攝后，利用 ImageJ 軟件對(duì)圖形進(jìn)行測(cè)量，得到的不同 Y 型角度微通道在不同兩相毛細(xì)數(shù)下生成的液滴流液滴的直徑. 當(dāng) Y 型角度小于 135? 時(shí)，液滴大小不受 Y 型微通道角度的影響而變化. 但是當(dāng) Y 型角度增大到 180? 時(shí)即為對(duì)流 T 型微通道，液滴直徑較 Y 型微通道大，增大的幅度在 2% 以內(nèi). 說明在乳化、混合過程中利用 Y 型微通道可得到體積更小的液滴，以使其乳化、混合效果最好. 此結(jié)論與 Steegmans 等利用微通道深度較其寬度小很多的 Y 型微通道得到的結(jié)論一致. 兩相流毛細(xì)數(shù)的變化同樣對(duì)液滴直徑有著重要影響，當(dāng)分散相毛細(xì)數(shù)不變，連續(xù)相毛細(xì)數(shù)增大 25% 左右時(shí)，液滴直徑減小幅度約為 3.4%～3.7%；當(dāng)連續(xù)相毛細(xì)數(shù)不變，分散相毛細(xì)數(shù)增大 25% 時(shí)，液滴直徑相應(yīng)增大 1.7%～2%. 兩相毛細(xì)數(shù)對(duì)液滴大小的影響主要在于：當(dāng)兩相液體相遇后，在兩相交匯處形成分散相/連續(xù)相界面，分散相在壓力推動(dòng)和連續(xù)相剪切力作用下與連續(xù)相同步向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)界面張力不足以維持連續(xù)相施加的剪切力時(shí)，分散相斷裂生成獨(dú)立的液滴. 而當(dāng)連續(xù)相毛細(xì)數(shù)增大時(shí)，其自身的黏性力作用增強(qiáng)，分散相受到來自連續(xù)相的剪切作用相對(duì)增大，因此分散相更容易破裂，形成的液滴更小，且連續(xù)相比分散相對(duì)液滴直徑的影響作用更大.

圖 9 為經(jīng)過高速攝影拍攝后，所得的不同 Y 型角度的微通道在不同兩相毛細(xì)數(shù)下生成液滴的時(shí)間.雖然 Y 型角度對(duì)液滴直徑的影響很小，但其對(duì)液滴生成時(shí)間的影響作用更大. 隨著 Y 型角度的增大液滴生成的時(shí)間更長(zhǎng)，圖 5 中不同角度 Y 型微通道內(nèi)兩相液體交匯處連續(xù)相不同的速度矢量分布可解釋此原因. 隨著 Y 型角度的減小，來自連續(xù)相流量的速度矢量在兩相交匯處與兩相界面所成角度逐漸減小，即來自連續(xù)相流量的剪切作用更顯著，導(dǎo)致了兩相界面的失穩(wěn)，隨后液滴破裂. 微液滴的主要生成過程是如何施加足夠大的作用力以擾動(dòng)連續(xù)相與分散相之間存在的界面張力使之達(dá)到失穩(wěn). 通常分散相某處施加的力大于其界面張力時(shí)，該處微量液體會(huì)突破界面張力進(jìn)入連續(xù)相中形成液滴. 圖 9 中兩相毛細(xì)數(shù)對(duì)液滴生成時(shí)間的影響，可以說明液滴形成的機(jī)制. 當(dāng)分散相毛細(xì)數(shù)或連續(xù)相毛細(xì)數(shù)增大時(shí)，導(dǎo)致兩相液體黏性力增大，使得兩相界面的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，因而液滴破裂生成的時(shí)間更短.

圖 10 為不同連續(xù)相毛細(xì)數(shù)下，Y 型微通道內(nèi)分散相液滴破裂前連續(xù)相速度矢量圖，以 Y 型角度為90? 為例. 從圖 10(a) 中可以觀察到，當(dāng)連續(xù)相毛細(xì)數(shù)較小時(shí)，兩相交匯處連續(xù)相的速度矢量除一部分指向主通道方向，還有一小部分在兩相界面上產(chǎn)生一個(gè)很小的渦. 而隨著連續(xù)相毛細(xì)數(shù)的增大，這個(gè)渦逐漸消失，連續(xù)相在遇到分散相時(shí)速度矢量角度逐漸變小，直至與兩相界面相切，如圖 10(b) 所示. 此外，連續(xù)相毛細(xì)數(shù)的增大使得分散相破裂的位置更靠近兩相交匯位置，頸縮長(zhǎng)度更短. 說明連續(xù)相毛細(xì)數(shù)的增大不僅增強(qiáng)了其內(nèi)部的黏性力，還使得連續(xù)相在兩相交匯位置處對(duì)分散相的作用力更集中，導(dǎo)致分散相頸縮長(zhǎng)度更短、更易破裂. 因此從兩相流內(nèi)部流動(dòng)情況解釋了不同連續(xù)相毛細(xì)數(shù)下，分散相形成液滴的大小以及生成周期的不同.

圖 10 液滴破裂前連續(xù)相速度矢量圖

3 結(jié) 論

(1) Y 型微通道中，隨連續(xù)相毛細(xì)數(shù)的增大，液滴先后經(jīng)歷了擠壓、過渡和滴流這 3 種不同的形成機(jī)制. 在擠壓機(jī)制中，分散相液滴的破裂除受到自身的表面張力外，來自連續(xù)相的剪切作用效果明顯，Y型角度越小，分散相所受到的剪切作用越大.

(2) 液滴生成過程中，當(dāng)主通道中同時(shí)填充兩相液體時(shí)，連續(xù)相速度剖面呈非對(duì)稱拋物線型分布且最大速度達(dá)到最大. 而液滴的破裂過程伴隨著兩相液體內(nèi)部壓力的周期性變化，在液滴破裂瞬間，其分散相頸縮部分的壓力值達(dá)到最大.

(3) 當(dāng) Y 型角度小于 180? 時(shí)，角度的變化對(duì)液滴直徑大小影響較小，但角度的減小加快了液滴的生成時(shí)間. 當(dāng) Y 型角度為 180? 時(shí)，生成的液滴體積最大且生成時(shí)間最長(zhǎng).

(4) 毛細(xì)數(shù)同時(shí)影響著液滴直徑大小和生成時(shí)間. 當(dāng)連續(xù)相毛細(xì)數(shù)增大或分散相毛細(xì)數(shù)減小時(shí)，液滴直徑減??；當(dāng)分散相毛細(xì)數(shù)或連續(xù)相毛細(xì)數(shù)增大時(shí)，液滴生成時(shí)間變短. 連續(xù)相毛細(xì)數(shù)的增大使得連續(xù)相在兩相交匯位置處對(duì)分散相的作用力更集中，導(dǎo)致分散相頸縮長(zhǎng)度更短、更易破裂.

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