微通道内非常规流体液滴破裂机理及其界面动力学研究

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液滴微流控技术可实现微通道内微流体液滴的精密操纵,具有高效可控,绿色安全等优势,近年来,在化学合成,生物医药等方面引起了广泛关注。具有高黏、黏弹、剪切变稀等性质的非常规流体在生产和生活中都有广泛的用途。本文针对非常规液滴,包含高黏的牛顿液滴以及黏弹性的非牛顿液滴,利用高速摄像机对液滴在T分岔口处的破裂动力学及其界面演化规律进行了研究。对T型微通道内伴有间隙的高黏牛顿液滴的破裂动力学以及卫星液滴的生成进行了研究。液滴破裂过程被划分为挤压、过渡、快速夹断和细丝破裂,四个子阶段。考察了两相黏度比、毛细管数以及液滴长度对破裂过程的影响。对于挤压力控制的挤压阶段,其颈部最小宽度的演化遵循幂律关系,且幂律指数与两相黏度比及液滴长度有关。受来流速度控制的过渡阶段以及毛细管力驱动的快速夹断阶段,其颈部最小宽度和剩余时间均符合幂律关系,且幂律指数和液滴黏度相关,但与连续相毛细管数和初始液滴长度关系很小。由两相黏性力和界面张力控制的细丝破裂阶段,其颈部最小宽度和时间满足线性关系,且线性比例系数是两相黏度比的函数。对于液滴破裂过程中产生的卫星液滴,其尺寸随液滴黏度和来流速度的增大而增大。此外,当液滴黏度较低时,存在临界毛细管数0.03,将卫星液滴尺寸随毛细管数Ca_c的变化分为常数区和增长区。对T型分岔口处的黏弹性液滴破裂动力学以及聚合物细丝的拉伸过程进行了研究。通过将剪切黏度相似的牛顿液滴与聚环氧乙烷(PEO)水溶液黏弹性液滴进行比较,主要研究了弹性对于液滴破裂的影响。液滴的破裂过程同样被分割为四个子阶段:挤压、过渡、快速夹断和细丝破裂阶段。对于前三个阶段,较低分子量的黏弹性液滴与牛顿液滴的动力学行为是相似的。对于较高分子量的黏弹性液滴,上一个未断裂细丝的空间阻碍作用加速了液滴的颈部塌陷。此外,驱动力由惯性力到毛细管力的转变导致了颈部演化规律的改变。对于细丝破裂阶段,聚合物分子链的拉伸引起的弹性力与毛细管力的平衡导致黏弹性细丝呈指数型细化。与此不同,牛顿液滴细丝颈部最小宽度随时间线性减小。此外,黏弹性细丝的拉伸速率与两相流率成正比,而与弹性无明显关系。
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