俞煒

（揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

液滴微流控是一項在微尺度通道內(nèi)通過多相流體剪切制備單分散液滴，并對其進行操控的技術(shù)。作為微流控技術(shù)的重要分支，液滴微流控技術(shù)廣泛應(yīng)用于聚變能源、醫(yī)藥、化工、化妝品等工業(yè)領(lǐng)域，是物理、化學、材料以及生物醫(yī)學等多學科交叉領(lǐng)域的前沿研究熱點。針對相關(guān)學科專業(yè)的研究生、本科生開設(shè)液滴微流控教學環(huán)節(jié)已經(jīng)勢在必行。流體力學是液滴微流控技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)，然而，其中很多概念由高等數(shù)學引入，理論性強、數(shù)學表達式非線性強，是高度抽象的。如果純粹從理論知識開展教學，學生聽起來比較枯燥，并且無法對液滴微流控過程中液滴的形態(tài)變化以及工藝參數(shù)的影響產(chǎn)生直觀認知。而在微流控技術(shù)制備液滴過程中，微通道中雷諾數(shù)較小，多相流體以層流形態(tài)流動，流動狀態(tài)容易控制，在顯微鏡下流動形態(tài)十分清晰，故通過實驗教學可使學生獲得對液滴動力學行為的直觀認識。但現(xiàn)有與液滴微流控相關(guān)的實驗教學、實踐培訓(xùn)平臺還較為欠缺，難以滿足相關(guān)專業(yè)的實驗教學需求，所以，亟需開展液滴微流控實驗教學平臺的開發(fā)。為此，本文將搭建微流控技術(shù)制備液滴可視化實驗觀測教學平臺，展示兩種流型的相界面演化過程并分析其內(nèi)在流體動力學機理，幫助學生深入理解認識流體力學的高度抽象理論，提升相關(guān)課程的教學效果。

1 教學實驗設(shè)計

1.1 微流控技術(shù)制備液滴可視化實驗觀測教學平臺設(shè)計搭建

微流控技術(shù)制備液滴可視化實驗觀測教學平臺主要由兩相流體輸入裝置、十字交叉型微通道實驗段和高速顯微成像裝置組成。如圖1 所示，連續(xù)相和離散相流體在兩臺獨立注射泵的控制下，精密地輸入固定在實驗臺上的微通道中。為防止雜質(zhì)堵塞微通道，注射器出口加裝過濾器以保證兩相流體的潔凈。此外，微通道的下方需要利用輔助光源以獲得清晰穩(wěn)定的兩相流體界面。輔助光源采用冷光源以規(guī)避光源發(fā)熱引起溫度變化影響流體物理性質(zhì)。通過高速攝像機配合顯微鏡實時記錄微通道中兩相流體的流動形態(tài)，并儲存于計算機中。

1.2 微流控技術(shù)制備液滴可視化實驗觀測教學平臺的教學案例設(shè)計

微流控制備液滴實驗教學案例的核心內(nèi)容是調(diào)節(jié)工況參數(shù)以改變兩相流體流動形態(tài)，利用高速相機記錄液滴生成過程中兩相界面的演變過程，從而闡明液滴動力學行為以及液滴行為調(diào)控機理。

圖1 微流控技術(shù)制備液滴可視化實驗觀測教學平臺示意圖

實驗中的離散相選用二甲基硅油，密度ρd=897.9kg/m3，黏度μd=5MPa·s。連續(xù)相選用去離子水+40%wt 甘油+0.5%wt十二烷基硫酸鈉，密度ρc=1062.6kg/m3，黏度μc=3.8MPa·s。兩相界面張力系數(shù)σ=8.27mN/m。微通道的寬和高分別為0.4mm和0.2mm。根據(jù)實驗系統(tǒng)圖搭建實驗臺，其主要過程如下：

（1）搭建微通道實驗段：將微通道固定在三維移動平臺上，將注射泵、聚乙烯管和對應(yīng)通道入口依次相連，在通道背面設(shè)置冷光源作為輔助光源；

（2）檢查密閉性：啟動注射泵，檢查通道、各相管道和連接處的密封性；

（3）搭建高速顯微成像系統(tǒng)：使用支撐裝置將顯微鏡和高速攝像機固定在光學實驗平臺上，然后，連接高速攝像機與計算機；

（4）調(diào)整視場：打開高速顯微成像系統(tǒng)和輔助光源，調(diào)節(jié)三維移動平臺使微通道大致處于顯微鏡視場中央；調(diào)節(jié)顯微鏡焦距、高速攝像機拍攝速度以及冷光源的強弱和位置，保證計算機顯示的圖片具有足夠的清晰度；

（5）擠壓式流型觀察：啟動連續(xù)相注射泵，并設(shè)定流量為1mL/h，待連續(xù)相流體充滿整個通道時，打開離散相注射泵，設(shè)定流量為0.1mL/h。待兩相流動現(xiàn)象穩(wěn)定后使用高速攝像機實時記錄并保存到計算機中；

（6）滴式流型觀察：打開連續(xù)相注射泵，調(diào)整連續(xù)相注射泵流量至8mL/h，待連續(xù)相流體充滿整個通道時，打開離散相注射泵，設(shè)定流量為5.6mL/h。待兩相流動現(xiàn)象穩(wěn)定后，使用高速攝像機實時記錄并保存于計算機中；

（7）實驗結(jié)束后，依次關(guān)閉離散相注射泵、連續(xù)相注射泵、高速攝像機、冷光源和計算機，清理實驗臺并將實驗廢液倒入廢液回收桶。

2 實驗結(jié)果與分析

微流控技術(shù)制備液滴過程中主要受到四個無量綱參數(shù)的控制，包括連續(xù)相毛細數(shù)Cac=(μcuc)/σ，離散相雷諾數(shù)Red=(ρddud)/μd，離散相韋伯數(shù)Wed=(ρdud2d)/σ 以及離散相與連續(xù)相之間的流量比Q*=Qd/Qc。前三個無量綱參數(shù)分別代表了黏性力與界面張力的比值、慣性力和黏性力的比值以及慣性力和界面張力的比值。特征長度d=2wh/(w+h)，w 和h 分別是通道的寬和高。液滴制備持續(xù)時間由無量綱時間t*=Qc(t-t0)/w2h 表征，其中，t 是實際時間，t0是液滴制備周期初始時刻。

2.1 擠壓式流型

擠壓式流型出現(xiàn)于兩相流量均較小的工況下。圖2 展示了擠壓式流型下一個制備周期內(nèi)的相界面形貌演化情況，包括生長、擠壓、頸縮和快速夾斷四個階段。離散相流體在進入主通道后沿著主通道軸向流動。在經(jīng)過交叉處時，側(cè)通道內(nèi)連續(xù)相流體的對向流動限制了離散相頭部在側(cè)通道軸向上的膨脹，使其在慣性力作用下向下游繼續(xù)膨脹（生長階段，t*=0 ～4.17）。當離散相流體的頭部阻塞了交叉處后方的通道時，側(cè)通道內(nèi)壓力將上升并擠壓離散相，使離散相頭部曲率逐漸增大直至相界面完全離開通道壁（擠壓階段，t*=4.17～4.88），交叉區(qū)域內(nèi)的相界面也開始內(nèi)凹形成明顯的頸部。在界面張力與連續(xù)相擠壓的協(xié)同作用下，頸部持續(xù)收縮（頸縮階段，t*=4.88 ～5.83），隨即出現(xiàn)Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性，頸部快速夾斷，形成一個塞狀液滴和一個衛(wèi)星液滴（快速夾斷階段，t*=5.83 ～6.23）。

圖2 擠壓式流型相界面形貌演化過程（Cac = 7.6×10-4，Red =0.016，Wed = 3.2×10-6，Q＊ = 0.2）

2.2 滴式流型

增大Q*時，擠壓式流型將轉(zhuǎn)變?yōu)榈问搅餍?，如圖3 所示。與擠壓式流型不同的是，滴式流型在生長階段（t*=0 ～0.11）后沒有出現(xiàn)擠壓階段。這是因為相對于界面張力，離散相慣性力和連續(xù)相黏性剪切力的作用增強（Wed和Cac增加），離散相頭部向下游伸長而不會阻塞交叉區(qū)域出口。而隨著離散相頭部增大，其受到的連續(xù)相黏性剪切作用繼續(xù)增強，促使頸部開始收縮，進入頸縮階段（t*=0.11 ～0.62）最終由于Rayleigh-Plateau 不穩(wěn)定性，頸部快速夾斷，形成一個塞狀液滴和衛(wèi)星液滴，即快速夾斷階段（t*=0.62 ～0.72）。

圖3 滴式流型相界面形貌演化過程（Cac = 0.006，Red = 0.9，Wed = 0.01，Q＊ = 1.4）

3 微流控技術(shù)制備液滴可視化實驗觀測教學平臺的教學應(yīng)用

作為對高度抽象的理論知識的補充，本文所建立的微流控技術(shù)制備液滴可視化實驗教學平臺能夠幫助學生直觀了解液滴制備過程中的相界面演化特性。從上述直觀可視化實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，任課老師可針對相關(guān)知識點，尤其相界面演化特性及流體動力學的內(nèi)在關(guān)系進行深入講解剖析，從而加深學生對流體受力博弈這一微流控本質(zhì)機理的理解與掌握，使課堂教學實現(xiàn)高層理論和基礎(chǔ)性認知的層次化結(jié)合，調(diào)動學生學習的積極性，強化教學效果。此外，該平臺還可以作為學生課外研學的平臺，引導(dǎo)學生自主設(shè)計微流控芯片，探索高通量、高均勻度液滴生成的優(yōu)選工藝參數(shù)，提升學生工程實踐能力，激發(fā)學生創(chuàng)新意識。

4 結(jié)語

本文設(shè)計并搭建了微流控技術(shù)制備液滴可視化實驗觀測教學平臺，并開展了不同工況參數(shù)下液滴制備實驗教學案例研究，動態(tài)觀測了液滴制備過程中的相界面演化，分析了液滴制備過程中的相界面演化規(guī)律與流體動力學特性。通過可視化實驗，學生能夠直觀認識液滴制備過程，從而進一步加深對流體力學抽象理論和知識的理解認識，有助于調(diào)動學生學習的積極性，激發(fā)學生創(chuàng)新意識，推動微流控相關(guān)交叉學科的實驗教學方法改革。