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研究:微通道內液 / 液微分散體系流型分析

 更新時(shí)間:2022-10-13 點(diǎn)擊量:1444

相對氣 / 液兩相微分散流型,液 / 液兩相在微通道內的流型相對簡(jiǎn)單,有關(guān)報道也相對集中。

Thorsen 等 [1] 首先嘗試了在 T 形微通道中采用錯流剪切的方法制備單分散液滴。研究者指出,在微通道中,雖然流體的流動(dòng)處于低雷諾數的狀態(tài),但是由于兩相流體的界面不是靜止的,流動(dòng)仍然是非線(xiàn)性的,會(huì )造成相分散。

液滴的形成主要將通過(guò)界面張力和連續相剪切力的競爭決定。實(shí)驗中通過(guò)改變油相和水相的壓力來(lái)控制所形成液滴和液柱的尺寸和頻率,并且可以將液滴在通道中的分散狀態(tài)在較大范圍內調控。圖 1為研究者給出的液 / 液兩相流型。

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圖 1微通道內液 / 液兩相流型



由圖可以看出,當水相壓力低于油相壓力時(shí),會(huì )形成分散的液滴;當固定油相壓力,增大水相壓力時(shí),會(huì )出現有序的連續液滴流;而當水相壓力大于油相壓力時(shí),會(huì )形成有序的液柱分散流。

在實(shí)驗條件下,兩相流可以呈現出液滴 / 液柱單層分散、液滴 Z 字形排布、珍珠鏈狀串聯(lián)和液滴多層排布等多種復雜而又非常有規則的流型分布,這與宏觀(guān)通道中液 / 液兩相分散行為有著(zhù)很大的區別。

隨后,徐建鴻 [2] 在 T 形微通道內采用正辛烷 /0.5%(質(zhì)量分數)SDS 水溶液為實(shí)驗體系,通過(guò)利用垂直流剪切方向研究?jì)上嗔髁繉τ趦上嗔餍偷挠绊?,在較寬的操作范圍內給出了液 / 液兩相微分散流型。結果如圖2所示。

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圖 2 微通道內液 / 液兩相流型圖



當水相流量較小而油相流量較大,也就是 Qw/Qo 值較小時(shí),油水兩相呈平行層流。形成的主要原因在于垂直通道內水相流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力很小,無(wú)法將油相破碎成分散的液柱,兩相沿著(zhù)通道呈平行流動(dòng);Qw/Qo 值增大到一定程度后,垂直通道內水相流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力可以將油相破碎,由于油相尺寸大于通道尺寸,形成了規則的油柱分散流;進(jìn)一步增大 Qw/Q時(shí),便能形成鵝卵石狀和液滴分散流。

對比宏觀(guān)通道,微尺度條件下兩相流呈現出更為復雜而又非常規則的變化。兩相流型變化主要是由連續相流動(dòng)產(chǎn)生的黏性剪切力大小決定的。當連續相剪切力較小時(shí),只能形成兩相平行層流或液柱分散流,而當連續相剪切力較大時(shí),連續相能將分散相剪切形成規則的液滴分散流。

由上述報道可以看出,對于微通道內液 / 液兩相流動(dòng),相對于氣 / 液流動(dòng),其流型變化還是簡(jiǎn)單很多,主要有兩相層流流動(dòng)、液滴流和流柱流等三種。其流型變化簡(jiǎn)單的一個(gè)主要原因是由于液 / 液體系的作用力與氣 / 液體系還是有很大的不同,更為關(guān)鍵的是液 / 液體系的不可壓縮性,壓力變化對其影響很小,且液 / 液分散體系的穩定性也較氣 / 液體系好,因此其流型變化相對較少。

Wang 等 [3] 最近對微通道內液 / 液體系流型進(jìn)行了較為全面的分析,給出了主要的流型示意圖,如圖 3所示。當然,即便是簡(jiǎn)單的流型,若分散體系特殊或者微通道結構復雜,也會(huì )對流型產(chǎn)生重要的影響,因此,與氣 / 液體系流型劃分一樣,研究者還需要針對體系性質(zhì)、幾何結構以及分散方法等開(kāi)展分析,以得到較為可靠的流型劃分。

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圖 3 微通道內液 / 液兩相主要流型示意圖



參考文獻:

[1] Thorsen T, Roberts R W, Arnold F H, Quake S R. Dynamic pattern formation in a vesiclegenerating microflfl uidic device[J]. Phys Rev Lett, 2001, 86:4163-4166.


[2] 徐建鴻 . 微分散體系尺度調控與傳質(zhì)性能研究 [D]. 北京 : 清華大學(xué) , 2007.
[3Wang K, Luo G S. Microflow extraction:A review of recent development[J]. Chem Eng Sci,2017, 169:18-33.
[4] 駱廣生,呂陽(yáng)成,王凱,張吉松等,《微化工技術(shù)》化學(xué)工業(yè)出版社。



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