圓截面微通道內液滴生成模擬研究

趙苗苗+王洪成+吳立群

摘 要：本文對微納米級T型圓截面微通道內液滴的形成機制進行仿真模擬研究，并得到連續(xù)相流速與液滴直徑大小關系。通過改變連續(xù)相流速，分別對選用的三種不同物性流體進行液滴生成仿真模擬，驗證了圓截面微通道內液滴生成的可行性，并得到了當其余參數(shù)保持不變改變連續(xù)相流速時，液滴直徑隨流速的增加呈指數(shù)型函數(shù)變化趨勢減小的結論。

關鍵詞：連續(xù)相流速；微液滴尺寸；T型微通道

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.186

0 前言

微流控技術[1]是在微納米下對液、氣體進行操控的技術，有耗時短、用量少等[2]優(yōu)點，近年來該技術在化學、生物和醫(yī)學等領域[3， 4]得到廣泛應用，比如蛋白質結晶[5]、纖維素液滴[6]、藥物篩選[7]等。尤其是結構簡單的T型通道內液滴制備成為了研究重點[8]。目前受加工工藝限制制備的通道形狀以矩形為主，對圓截面微通道研究較少，且更多采用實驗方法，很難方便精確的改變流體的單一參數(shù)且研究成本高。而仿真模擬研究不僅能克服實驗帶來的缺點，并且設置便捷、計算精確，近幾年吸引了更多學者的關注[9]。

1 模型設計及邊界條件的確定

通過SolidWorks軟件對T型微通道建立模型，設定連續(xù)相為主通道中方向，分散相為垂直主通道方向，分散相通道直徑為200μm，連續(xù)相通道直徑為500μm。選用Fluent軟件進行仿真分析，選擇四邊形網格作為網格類型，將通道劃分為9600個矩形單元網格，主要是將其作為兩相流體的體積追蹤控制單元。

在仿真模擬的邊界條件的設置中，選用水相為分散相，硅油為連續(xù)相，兩相入口定義為速度入口，左端入口定義為inlet1，上端入口定義為inlet2；右端出口定義自由出口outflow。另外，定義通道的內壁為靜止壁面類型。

2 液滴生成的仿真模擬

為了研究圓截面微通道內連續(xù)相流速與液滴直徑的關系，對微通道內連續(xù)相流速進行研究和分析。選用三組不同物性流體分別進行液滴生成仿真分析。Group1：=0.0048kg/m·s，=0.07N/m；Group2：=0.0018kg/m·s，=0.07N/m；Group3：=0.0048kg/m·s，=0.09N/m。當連續(xù)相流速值Uc分別為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5 m/s時，對不同物性流體進行仿真，并得到不同直徑尺寸的微液滴，其中，液滴尺寸的大小按三種物性流體的不同分為三組，分別為D1、D2和D3。

3 結果與分析

為了增加數(shù)值分析結果的可靠性，對三組不同物性流體數(shù)值仿真，所得仿真數(shù)據導出后經過MATLAB處理獲得液滴直徑尺寸，并對不同直徑進行繪制得到對應的直徑數(shù)據直觀圖如圖1所示。

根據數(shù)據分析直觀圖可得，排除個別數(shù)據誤差和系統(tǒng)誤差帶來的影響，得出以下結論：在圓截面微通道條件下，其余各項參數(shù)保持不變時，當改變連續(xù)相流速這一單一變量的大小，D1、D2和D3三組數(shù)據分析結果也隨之變化，并隨流速的增加呈指數(shù)型函數(shù)變化趨勢減小，更加證實了在圓截面通道內對液滴生成操控的可行性與可控性。

參考文獻：

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作者簡介：趙苗苗（1992-），女，碩士，研究方向：微流控系統(tǒng)設計。

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