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        變截面通道內(nèi)流動(dòng)聚焦微液滴生成數(shù)值研究

        2019-03-29 01:57:34劉思蔚王燕令吳學(xué)紅何永寧張業(yè)強(qiáng)
        云南化工 2019年1期
        關(guān)鍵詞:界面

        劉思蔚,王燕令*,吳學(xué)紅,何永寧,張業(yè)強(qiáng)

        (鄭州輕工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,河南 鄭州 450002)

        0 前言

        微流控技術(shù)通過(guò)操控微型液滴流動(dòng),實(shí)現(xiàn)樣品快速混合,在化學(xué)分析領(lǐng)域具有重大價(jià)值[1]。互不相溶的流體在兩相剪切力和界面張力作用下擠壓形變,形成微液滴[2]。如何使微液滴成分可控、大小均勻,已成為微流控技術(shù)研究的挑戰(zhàn)之一。

        微液滴生成方式主要有三種:流動(dòng)聚焦、T型通道和共流聚焦[3]。其中流動(dòng)聚焦是利用兩側(cè)通道內(nèi)連續(xù)相流體交匯擠壓中間通道內(nèi)分散相流體,使得分散相流體收縮變形,形成微液滴[4]。Anna等[5]設(shè)計(jì)流動(dòng)聚焦通道,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)調(diào)控兩相流量比可改變生成液滴的大小。Ward等[6]研究連續(xù)相流體進(jìn)口壓力對(duì)液滴生成的影響。另有許多學(xué)者對(duì)流動(dòng)聚焦模型通道入口壓力、通道深度、復(fù)合流動(dòng)等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與模擬研究。

        通道尺寸對(duì)微液滴生成影響很大,而對(duì)于聚焦區(qū)域變截面幾何結(jié)構(gòu)對(duì)微液滴生成過(guò)程影響的研究較少。本文構(gòu)建了流動(dòng)聚焦數(shù)值模型,采用Level Set方法對(duì)液滴界面進(jìn)行追蹤處理,研究變截面孔徑下微液滴生成規(guī)律。

        1 數(shù)值模型

        1.1 幾何模型

        圖1為流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)圖,分散相流體經(jīng)入口1進(jìn)入主通道,連續(xù)相流體分別通過(guò)兩側(cè)入口2和入口3進(jìn)入主通道,在流動(dòng)聚焦區(qū)域?qū)Ψ稚⑾嗔黧w進(jìn)行擠壓,使其形成分散的微液滴。模擬采用氟化油 (FC3283)作為連續(xù)相,去離子水作為分散相。采用速度入口和壓力出口邊界條件,壁面無(wú)滑移。

        本文采用COMSOL軟件構(gòu)建二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu),選用三角形網(wǎng)格對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)幾何結(jié)構(gòu)局部加密。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,二維模型網(wǎng)格數(shù)選為10040個(gè),如圖2所示。

        1.2 Level Set界面追蹤方法

        本文采用Level Set方法追蹤兩相流動(dòng)界面,流體流動(dòng)及界面方程為:

        其中,ρ為流體密度,u為流體速度,μ為運(yùn)動(dòng)黏度,p為流體壓力,F(xiàn)st表示界面張力。公式 (3)是水平集函數(shù),在流體分界面使用水平集函數(shù)的0.5等值線定義,γ和ε為數(shù)值穩(wěn)定化參數(shù)。

        在Level Set界面追蹤處理時(shí),表面張力項(xiàng)為:

        其中σ是表面張力系數(shù),I是單位矩陣,n是表面的單位法線,δ是Dirac delta函數(shù)。

        圖1 流動(dòng)聚焦通道結(jié)構(gòu)圖

        圖2 幾何通道自適應(yīng)網(wǎng)格FIG.2 Adaptive mesh model of flow focusing channel

        1.3 模型驗(yàn)證

        模型驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3。

        圖3 數(shù)值模型驗(yàn)證FIG.3 Numerical model validation

        本文以Haejune Kim等人[7]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對(duì)照進(jìn)行對(duì)比,采用相同的通道參數(shù)、流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均誤差為7.508%。

        2 結(jié)果與分析

        本文研究通道尺寸和兩相流體速度對(duì)流動(dòng)聚焦通道內(nèi)微液滴的生成影響規(guī)律,文中微液滴直徑均為等效直徑。

        2.1 聚焦尺寸對(duì)液滴直徑的影響

        本文構(gòu)建了5種孔徑(20、40、60、80、100 μm) 的流動(dòng)聚焦模型,模擬了4種分散相與連續(xù)相流速比0.01/0.02,0.01/0.04,0.01/0.06,0.01/0.08 m/s下微液滴的生成。圖4為分散相流速為0.01m/s時(shí),孔徑尺寸對(duì)液滴生成的影響。由圖4中可見(jiàn),對(duì)于同一孔徑下,微液滴直徑隨連續(xù)相流速增大而逐漸變小,且近似呈線性變化。分散相與連續(xù)相流速比不變時(shí),增大孔徑尺寸,生成液滴的直徑會(huì)隨之增大,反之亦然,如圖5所示。

        圖4 不同孔徑H下液滴直徑變化FIG.4 Droplet diameters with the influence of the neck size H

        圖5 流速對(duì)液滴直徑的影響FIG.5 Influence of liquid velocity on droplet diameter

        分散相流體流量不變時(shí),增大聚焦區(qū)域分散相入口寬度,在兩相流動(dòng)剪切力和界面張力作用下,所生成液滴的直徑也隨之變大,而液滴生成頻率則隨分散相入口寬度增大而減小,如圖6所示。

        圖6 分散相入口寬度對(duì)液滴直徑的影響FIG.6 Influence of inlet width of discrete phase on droplet diameter

        圖7 分散相入口寬度對(duì)液滴生成頻率的影響FIG.7 Influence of inlet width of discrete phase on the frequency of droplet formation

        圖7是流動(dòng)聚焦通道內(nèi)液滴生成頻率的變化。由圖7中可知,連續(xù)相與分散相流速比值越大,液滴生成頻率越大,而液滴直徑則隨其比值的增大而減小。

        2.2 聚焦尺寸對(duì)液滴斷裂過(guò)程的影響

        本文研究了分散相入口和孔徑尺寸對(duì)于液滴斷裂位置的影響,結(jié)果顯示,保持孔徑尺寸不變,分散相入口尺寸不斷增大時(shí),液滴發(fā)生斷裂位置越靠近分散相入口(圖8a)。而孔徑寬度對(duì)于液滴的斷裂位置影響較?。▓D8b)。

        圖8 液滴斷裂位置變化FIG.8 Droplet fracture location diagram when inlet width (a)and neck width (b)of discrete phase are changed

        3 結(jié)論

        本文采用Level Set方法,對(duì)流動(dòng)聚焦模型內(nèi)液滴生成進(jìn)行了模擬研究。主要結(jié)論有:

        1)流動(dòng)聚焦裝置生成液滴直徑隨孔徑尺寸變大而增大,孔徑段擠壓作用隨著孔徑的增大而減小。

        2)連續(xù)相流體的流量比重增大致使毛細(xì)數(shù)變大,黏性力作用比重增加,液滴生成的頻率加快,液滴直徑變小。

        3)分散相入口尺寸不同將引起液滴斷裂位置的變化,入口尺寸越小,致使液滴斷裂所需要的剪切力越小,液滴斷裂位置更靠近流動(dòng)聚焦中心點(diǎn)。

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