隨著MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，微流控芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-chip）已可將生物或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室微縮到一塊數(shù)平方厘米的芯片上。微流控芯片在生物醫(yī)學(xué)多相流研究領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如DNA聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分析，蛋白質(zhì)結(jié)晶過(guò)程，制備微納米球顆粒等。

微流控芯片的各種應(yīng)用中，微液滴技術(shù)在近年來(lái)得到了快速的發(fā)展。所謂微液滴技術(shù)是基于微流控芯片發(fā)展起來(lái)的一種全新的操縱微小體積液滴的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)微液滴的穩(wěn)定生成,表面處理,破裂,融合及多層液滴制備等。微液滴可作為容器進(jìn)行酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析、微球顆粒的合成、蛋白質(zhì)結(jié)晶分析、微生物培養(yǎng)及臨床上的藥物緩釋等。此外在工程應(yīng)用領(lǐng)域，微液滴還可以作為高精度成像技術(shù)里的感光劑,噴墨系統(tǒng)的添加劑，食品中的添加劑等。

微液滴的尺寸均一度，單分散性和數(shù)量需求使得利用特殊方法使微液滴再破裂尤為重要。Shia等提出了液滴的主動(dòng)破裂和被動(dòng)破裂機(jī)理；Link等實(shí)現(xiàn)了微液滴在多階T型結(jié)構(gòu)破裂,顯著提升了液滴的數(shù)量;Jullien等實(shí)驗(yàn)研究了T型交錯(cuò)結(jié)構(gòu)處微液滴隧道破裂和阻塞破裂兩種機(jī)理；Menech應(yīng)用相場(chǎng)方法模擬了三維大液滴在T型結(jié)構(gòu)處的破裂，探究了液滴破裂的影響因素。賀麗萍等采用VOF方法模擬了微管道末端微液滴破裂生成的過(guò)程；劉志鵬等研究了T型節(jié)點(diǎn)下游處的射流狀和滴狀兩種液滴生成方式。

目前的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)測(cè)量，由于實(shí)驗(yàn)工況的限制無(wú)法深入探究微液滴是否發(fā)生破裂的條件和機(jī)理。數(shù)值模擬方面，研究者一般采用相場(chǎng)方法和格子玻耳茲曼方法進(jìn)行研究，由于計(jì)算量較大，尚未開(kāi)展較小毛細(xì)數(shù)工況的模擬，且尚無(wú)利用VOF方法進(jìn)行數(shù)值模擬的成功先例。因此，本文擬通過(guò)Fluent軟件的VOF模型模擬T型微通道內(nèi)微液滴的被動(dòng)破裂過(guò)程，研究主流流體表觀速度,微液滴大小和兩相黏性等因素對(duì)液滴破裂機(jī)理的影響，總結(jié)發(fā)生破裂的預(yù)測(cè)方法，為工程實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1數(shù)理模型

1.1控制方程

在微尺度條件下，油水兩相均視為不可壓縮黏性流體。忽略重力后，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可簡(jiǎn)化為

式中F為表面張力。

微尺度條件下表面張力的作用由連續(xù)表面力模型（CSF）模擬,本課題組曾采用此模型成功模擬了微通道中Taylor氣泡的生成過(guò)程.獲得了兩相體積分?jǐn)?shù)后,油水相界面采用PLIC算法進(jìn)行幾何界面重。N-S方程的數(shù)值求解中，選用 PRESTO！算法為壓力插值方案，壓力速度耦合采用 PRESTO算法。Courant數(shù),時(shí)間步長(zhǎng)、亞松弛迭代因子等參數(shù)在計(jì)算過(guò)程中根據(jù)計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性以及收斂性選取。

1.2型微通道的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸

1.3模型有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文模型，針對(duì)Jullien等的微液滴破碎實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖)所示。實(shí)驗(yàn)中通道截面為80um*80um，連續(xù)相為水，離散相為氟化油，黏度比為1.67，表面張力為0.0154N-m-1毛細(xì)數(shù)ca=0.016。從圖中可以看出，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)吻合較好，驗(yàn)證了本文模型的有效性。

圖1T型交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的幾何模型

圖2模型有效性驗(yàn)證

2結(jié)果與討論

2.1微液滴的流型

初始時(shí)刻微液滴被主流流體包圍，在垂直段主流流體的推動(dòng)下，微液滴由于表面張力的作用而發(fā)生變形且穩(wěn)定向下流動(dòng)。在不同的黏度比和毛細(xì)數(shù)下，微液滴通過(guò)T型通道交叉截面時(shí)會(huì)出現(xiàn)破裂或者不破裂兩種情形，結(jié)果分別如圖3圖4所示。

圖3微液滴破裂

圖4微液滴未破裂

圖3是微液滴破裂的過(guò)程，微液滴受到主流流體的剪切作用，在T型微通道交錯(cuò)處發(fā)生較大變形而向兩側(cè)伸展，最后掙脫表面張力，破裂為兩個(gè)同樣大小的子液滴，并分別流向水平段兩側(cè)。這里表面張力和流動(dòng)剪切力占據(jù)主導(dǎo)地位，微液滴破裂是由于在交錯(cuò)結(jié)構(gòu)處隨著主流流體的不斷沖擊使得流動(dòng)剪切力大于表面張力而掙脫其束縛發(fā)生了破裂。圖4中微液滴在交錯(cuò)處擠壓變形同時(shí)向兩側(cè)延展，此時(shí)流體的剪切力不足以使微液滴掙脫表面張力的束縛而斷裂，最后在微小隨機(jī)擾動(dòng)下而流向任意一側(cè)。

2.2臨界毛細(xì)數(shù)

微流體流動(dòng)過(guò)程中，微液滴的破裂與否關(guān)鍵在于表面張力和流動(dòng)剪切力的競(jìng)爭(zhēng)。在微尺度條件下，常用毛細(xì)數(shù)ca來(lái)表征表面張力和黏性作用力的影響

式中;u和u分別為主流流體的流速及黏度，a為表面張力。對(duì)于一定軸向長(zhǎng)度的微液滴lo，必然存在一個(gè)臨界毛細(xì)數(shù)ca，當(dāng)大于這個(gè)數(shù)值時(shí)，微液滴發(fā)生破裂，否則不破裂。Link等提出了微液滴發(fā)生破裂的臨界毛細(xì)數(shù)ca與微液滴的軸向相對(duì)長(zhǎng)度$的關(guān)系式

圖5臨界毛細(xì)數(shù)與微液滴相對(duì)軸向長(zhǎng)度$*的關(guān)系

2.3兩相黏度的影響

        黏度是流體黏滯性的量度，黏度越大內(nèi)摩擦力越大。通過(guò)改變主流流體黏性，探討了黏度比對(duì)微液滴破裂的影響。發(fā)現(xiàn)黏度比越小，微液滴越不易發(fā)生

圖6臨界毛細(xì)數(shù)與微液滴相對(duì)軸向長(zhǎng)度$*的關(guān)系

由圖5-7可以發(fā)現(xiàn)，在相同的液滴初始尺寸下，臨界毛細(xì)數(shù)隨兩相黏度比。的增大而減小。這是因?yàn)?/span>。的增大意味著連續(xù)相黏度的減小，但是兩相的表面張力不變，要使得液滴破裂，必須提升流速。由于流速對(duì)臨界毛細(xì)數(shù)的影響要大于黏度的影響，即小幅提升流速即可導(dǎo)致液滴破裂，因此。的增大會(huì)使臨界毛細(xì)數(shù)減小。

3結(jié)論

本文以微流控芯片內(nèi)的液液兩相流為研究對(duì)象，通過(guò)VOF模型數(shù)值模擬了T型微通道內(nèi)微液滴破裂的過(guò)程，獲得了較好的相界面，得到以下結(jié)論。

圖7臨界毛細(xì)數(shù)與$的關(guān)系

（1）微液滴在T型交錯(cuò)結(jié)構(gòu)處有破裂和不破裂兩種可能，是否破裂由臨界毛細(xì)數(shù)決定。高于此毛細(xì)數(shù)時(shí)液滴發(fā)生破裂，生成兩個(gè)大小一致的子液滴，當(dāng)Ca數(shù)較小時(shí)微液滴不發(fā)生破裂而沿著T型通道流向任一側(cè)。

（2）通過(guò)多個(gè)工況的計(jì)算，擬合了不同黏度比下臨界毛細(xì)數(shù)與微液滴相對(duì)軸向長(zhǎng)度的關(guān)系。

（3）探討了黏度比對(duì)微液滴破裂的影響，發(fā)現(xiàn)相同流速下，主流流體黏性越大，微液滴越易發(fā)生破裂。

文獻(xiàn)來(lái)源化工學(xué)報(bào) DOI：10.3969/j.issn.0438-1157.2012.04.001 作者：王澎 陳斌（轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）