T型微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟-汶颢股份
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T型微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟

随着MEMS技术的迅猛发展微流控芯片实验室Lab-on-chip已可将生物或化学实验室微缩到一块数平方厘米的芯片上微流控芯片在生物医学多相流研究领域有广泛的应用DNA聚合酶链式反应分析,蛋白质结晶过程,制备微纳米球颗粒等

微流控芯片的各种应用中微液滴技术在近年来得到了快速的发展所谓微液滴技术是基于微流控芯片发展起来的一种全新的操纵微小体积液滴的技术可以实现微液滴的稳定生成,表面处理,破裂,融合及多层液滴制备等微液滴可作为容器进行酶反应动力学分析微球颗粒的合成蛋白质结晶分析微生物培养及临床上的药物缓释等此外在工程应用领域微液滴还可以作为高精度成像技术里的感光剂,喷墨系统的添加剂食品中的添加剂等

微液滴的尺寸均一度单分散性和数量需求使得利用特殊方法使微液滴再破裂尤为重要Shia等提出了液滴的主动破裂和被动破裂机理Link等实现了微液滴在多阶T型结构破裂,显著提升了液滴的数量;Jullien等实验研究了T型交错结构处微液滴隧道破裂和阻塞破裂两种机理Menech应用相场方法模拟了三维大液滴在T型结构处的破裂探究了液滴破裂的影响因素贺丽萍等采用VOF方法模拟了微管道末端微液滴破裂生成的过程刘志鹏等研究了T型节点下游处的射流状和滴状两种液滴生成方式

目前的研究主要集中在实验测量由于实验工况的限制无法深入探究微液滴是否发生破裂的条件和机理数值模拟方面研究者一般采用相场方法和格子玻耳兹曼方法进行研究由于计算量较大尚未开展较小毛细数工况的模拟且尚无利用VOF方法进行数值模拟的成功先例因此本文拟通过Fluent软件的VOF模型模拟T型微通道内微液滴的被动破裂过程研究主流流体表观速度,微液滴大小和两相黏性等因素对液滴破裂机理的影响总结发生破裂的预测方法为工程实际应用提供指导

1数理模型

1.1控制方程

在微尺度条件下油水两相均视为不可压缩黏性流体忽略重力后连续性方程和动量方程可简化为

连续性方程和动量方程 

式中F为表面张力

表面张力 

微尺度条件下表面张力的作用由连续表面力模型CSF模拟,本课题组曾采用此模型成功模拟了微通道Taylor气泡的生成过程.获得了两相体积分数后,油水相界面采用PLIC算法进行几何界面重N-S方程的数值求解中选用 PRESTO!算法为压力插值方案,压力速度耦合采用 PRESTO算法。Courant数,时间步长、亚松弛迭代因子等参数在计算过程中根据计算结果的稳定性以及收敛性选取。

1.2型微通道的结构及几何尺寸

微通道的结构及几何尺寸 

1.3模型有效性验证

为了验证本文模型针对Jullien等的微液滴破碎实验进行了模拟结果如图)所示实验中通道截面为80um*80um,连续相为水离散相为氟化油黏度比为1.67表面张力为0.0154N-m-1毛细数ca=0.016从图中可以看出数值模拟与实验吻合较好验证了本文模型的有效性

图1T型交错结构的几何模型 

1T型交错结构的几何模型

图2模型有效性验证 

2模型有效性验证

2结果与讨论

讨论和结果

2.1微液滴的流型

初始时刻微液滴被主流流体包围在垂直段主流流体的推动下微液滴由于表面张力的作用而发生变形且稳定向下流动在不同的黏度比和毛细数下微液滴通过T型通道交叉截面时会出现破裂或者不破裂两种情形结果分别如图34所示

图3微液滴破裂 

3微液滴破裂

图4微液滴未破裂 

4微液滴未破裂

3微液滴破裂的过程微液滴受到主流流体的剪切作用T型微通道交错处发生较大变形而向两侧伸展最后挣脱表面张力破裂为两个同样大小的子液滴并分别流向水平段两侧这里表面张力和流动剪切力占据主导地位微液滴破裂是由于在交错结构处随着主流流体的不断冲击使得流动剪切力大于表面张力而挣脱其束缚发生了破裂4中微液滴在交错处挤压变形同时向两侧延展此时流体的剪切力不足以使微液滴挣脱表面张力的束缚而断裂最后在微小随机扰动下而流向任意一侧

2.2临界毛细数

微流体流动过程中微液滴的破裂与否关键在于表面张力和流动剪切力的竞争在微尺度条件下常用毛细数ca来表征表面张力和黏性作用力的影响

表面张力和黏性作用力 

式中;uu分别为主流流体的流速及黏度a为表面张力对于一定轴向长度的微液滴lo必然存在一个临界毛细数ca当大于这个数值时微液滴发生破裂否则不破裂Link等提出了微液滴发生破裂的临界毛细数ca与微液滴的轴向相对长度$的关系式

临界毛细数ca与微液滴的轴向相对长度$的关系图5临界毛细数与微液滴相对轴向长度$*的关系 

5临界毛细数与微液滴相对轴向长度$*的关系

2.3两相黏度的影响

        黏度是流体黏滞性的量度黏度越大内摩擦力越大通过改变主流流体黏性探讨了黏度比对微液滴破裂的影响发现黏度比越小微液滴越不易发生

图6临界毛细数与微液滴相对轴向长度$*的关系

6临界毛细数与微液滴相对轴向长度$*的关系

图6临界毛细数与微液滴相对轴向长度$*的关系 

由图5-7可以发现在相同的液滴初始尺寸下临界毛细数随两相黏度比的增大而减小这是因为的增大意味着连续相黏度的减小但是两相的表面张力不变要使得液滴破裂必须提升流速由于流速对临界毛细数的影响要大于黏度的影响即小幅提升流速即可导致液滴破裂因此的增大会使临界毛细数减小

3结论

本文以微流控芯片内的液液两相流为研究对象通过VOF模型数值模拟了T型微通道内微液滴破裂的过程获得了较好的相界面得到以下结论

图7临界毛细数与$的关系 

7临界毛细数与$的关系

1微液滴在T型交错结构处有破裂和不破裂两种可能是否破裂由临界毛细数决定高于此毛细数时液滴发生破裂生成两个大小一致的子液滴Ca数较小时微液滴不发生破裂而沿着T型通道流向任一侧

2通过多个工况的计算拟合了不同黏度比下临界毛细数与微液滴相对轴向长度的关系

3探讨了黏度比对微液滴破裂的影响发现相同流速下主流流体黏性越大微液滴越易发生破裂

文献来源化工学报 DOI:10.3969/j.issn.0438-1157.2012.04.001 作者:王澎 陈斌(转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)