流道尺寸与生成速率对液滴生成的影响.docx

流道尺寸与生成速率对液滴生成的影响 摘要：液滴微流控因其可以高效、方便地生成高单分散性液滴，被广泛应用于微材料制造、药物分析、细胞培养等领域。进一步探究流道尺寸、流量对微液滴生成和尺寸的影响，有助于对微液滴实现精准控制。通过设计不同的十字流道尺寸和控制两相流量进行微滴实验探究，研究表明了流道结构对液滴生成周期的影响，以及液滴尺寸和生成速率随流道结构出现较大差异。不同流道出口尺寸下，液滴尺寸相差约1倍，而最高生成速率可达1 052.53滴/s。同时通过数值仿真解释了液滴生成周期中压力和流速的变化对液滴尺寸和生成速率的影响。 0 引言微流控是一种对微量液体进行精准控制的技术，涉及了机械、医学、流体、化学等多个交叉学科尽管液滴微流控应用广泛且优势明显，但是目前的研究大多数都集中在液滴的操纵、制备方式以及应用上，而对于流道结构的优化、控制液滴的尺寸和生成速率以及其均一性的研究还相对较少。在实际应用中，微液滴的尺寸、生成速度等往往与流道结构、流体流速等息息相关。因此，本文基于流动聚焦的毛细不稳定性，研究流道结构、流体流速对于微液滴的尺寸和生成效率以及形成的各阶段的影响，并用仿真分析液滴周期中流道内流速和压力的变化。为往后的流道设计、结构优化以及流速的控制提供参考，便于精准控制液滴尺寸以及生成效率。1 实验材料与方法用计算机进行实验流道设计，如图1所示。根据十字流道分散相入口宽度d实验采用注射泵将实验流体进行注液，两相流量通过设置注射泵参数决定。分散相注入流量参数如表2所示，连续相流量（Q2 实验结果2.1 液滴生成周期以A组和分散相流量与连续相流量比值Q(1）填充阶段（6.8～33.5 ms）：分散相受到连续相阻挡无法流走，使得分散相在十字流道中累积填充。(2）颈缩阶段（33.5～51.7 ms）：在十字流道中累积填充的分散相受两侧连续相的挤压剪切开始收缩。(3）脱离阶段（51.7～65.6 ms）：不断受挤压剪切而颈缩的分散相最终断裂与分散相分离形成微液滴。(4）回缩阶段（65.6～67.7 ms）：微液滴脱离后的分散相受连续相挤压而逐渐后退回缩。但是在十字液滴流道出口受窄后，液滴生成过程有所变化，如图4所示。在C组中，液滴生成过程主要集中在出口处，同时生成周期明显缩短，一个周期所需时间为6.6 ms，比A组的60.9 ms快了9倍。这种生成周期的缩短是由于d2.2 液滴尺寸微流道中的液滴一般为2种形态：微球形态和圆盘形态。前者在微流道内因界面张力而保持表面积最小的球形；后者受微流道的限制而呈现为盘状。本文对液滴半径的处理根据等价体积的方式计算得到等价球形液滴的半径值对比4组芯片，比较不同流量比制备的液滴大小，结果如图6 (a）所示。在相同流量参数下，A组和B组、C组和D组的液滴尺寸相差较小，但是A组和C组、B组和D组的液滴尺寸差别明显。在连续相流量为1.08μL/m时，A组和C组的液滴半径相差1倍。这表明十字流道d2.3 液滴生成速率实验结果以10 000 f/s帧率来拍摄，对液滴生成速率的计算采用从液滴脱离开始至下一个液滴脱离的帧数差得到一个液滴生成所需的帧数，再求帧率与帧数差的比值得到每秒内生成的液滴数。在分散相流量为0.54μL/m条件下，4组芯片均表现出生成速率随连续相流量增加而上升的趋势，结果如图7所示。但在图7 (a）中A与B的液滴生成速率在15～45滴/s之间，曲线差别小，表明d对A各组流量进行生成速率的比较，结果如图8所示。从图中可以看到在低流量时，生成速度呈现平缓趋势，随着分散相流量增加，液滴生成速率逐渐表现出增长趋势，速率随流量比增大而增加，并且流量越大，速率上升趋势越明显。这是因为流量较低时，液滴生成所需时间达到了100 ms以上，几毫秒的变化对其影响较小；而流量较高时，液滴生成时间短，几毫秒在一个周期时间所占的比重增加。3 仿真分析3.1 仿真模型的建立本文利用Comsol两相流水平集物理场方式进行仿真分析，根据实验流道建立二维简化模型并划分网格，如图9所示。连续相和分散相分别采用石蜡油和水，石蜡油式中：Q为流体流入流量，μL/min;v为流体的平均流速，μm/s;S为流道截面积，μm分散相流速为3 000μL/m，其中连续相流速分别去分散相流速的2、4、6、8、10倍，流体物理参数如表3所示。3.2 仿真结果分析与讨论如图10和图6 (a）所示，在等价条件下，实验和仿真中d在A组流道中，仿真参数为分散相流速∶连续相流速（V(1）填充阶段（0.105～0.115 s）：连续相压力小于分散相压力，分散相开始填充；填充过程中，低压的连续相与后续持续注入的液体的压差变大，使得流动性增加，流速