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研究:微通道內液 / 液微分散體系流型分析

 發布時間:2022-10-13 點擊量:329

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單,有關報道也相對集中。

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,雖然流體的流動處于低雷諾數的狀態,但是由于兩相流體的界面不是靜止的,流動仍然是非線性的,會造成相分散。

液滴的形成主要將通過界面張力和連續相剪切力的競爭決定。實驗中通過改變油相和水相的壓力來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在較大范圍內調控。圖 1為研究者給出的液 / 液兩相流型。

圖片


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,會形成分散的液滴;當固定油相壓力,增大水相壓力時,會出現有序的連續液滴流;而當水相壓力大于油相壓力時,會形成有序的液柱分散流。

在實驗條件下,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,這與宏觀通道中液 / 液兩相分散行為有著很大的區別。

隨后,徐建鴻 [2] 在 T 形微通道內采用正辛烷 /0.5%(質量分數)SDS 水溶液為實驗體系,通過利用垂直流剪切方向研究兩相流量對于兩相流型的影響,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。

圖片


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,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產生的剪切力很小,無法將油相破碎成分散的液柱,兩相沿著通道呈平行流動;Qw/Qo 值增大到一定程度后,垂直通道內水相流動產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;進一步增大 Qw/Q時,便能形成鵝卵石狀和液滴分散流。

對比宏觀通道,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產生的黏性剪切力大小決定的。當連續相剪切力較小時,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,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,相對于氣 / 液流動,其流型變化還是簡單很多,主要有兩相層流流動、液滴流和流柱流等三種。其流型變化簡單的一個主要原因是由于液 / 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,即便是簡單的流型,若分散體系特殊或者微通道結構復雜,也會對流型產生重要的影響,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、幾何結構以及分散方法等開展分析,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性能研究 [D]. 北京 : 清華大學 , 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,呂陽成,王凱,張吉松等,《微化工技術》化學工業出版社。



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