【摘 要】
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流动聚焦作为一种较为常见的毛细流动现象,能够连续稳定地生成微纳尺度的液滴及颗粒,是现阶段生成高单分散性微小液滴或颗粒集群的有效手段。其原理是毛细管内被聚焦流体在外部聚焦流体的聚焦作用下,共同通过聚焦孔形成稳定的射流模式,并在下游因为Rayleigh-Plateau流动不稳定性发生破碎而生成微小粒子。单分散性较好的微小粒子在医学、药学、农学等领域有着广泛的应用,但自然条件下的射流破碎具有极强的随机性
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“高浓度颗粒流体两相流动相间非均匀作用及颗粒动理学研究”,项目号为51776058；
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流动聚焦作为一种较为常见的毛细流动现象,能够连续稳定地生成微纳尺度的液滴及颗粒,是现阶段生成高单分散性微小液滴或颗粒集群的有效手段。其原理是毛细管内被聚焦流体在外部聚焦流体的聚焦作用下,共同通过聚焦孔形成稳定的射流模式,并在下游因为Rayleigh-Plateau流动不稳定性发生破碎而生成微小粒子。单分散性较好的微小粒子在医学、药学、农学等领域有着广泛的应用,但自然条件下的射流破碎具有极强的随机性,液滴集群的单分散性较差,不利于大规模生产。本文拟通过外部激励改变射流的破碎特性,得到单分散性较好的液滴集群。建立了单轴气-液流动聚集装置的二维模型,利用VOF模型模拟研究了不同形式的不稳定激励作用下的射流演化过程以及射流破碎特性。结果表明,当被聚焦相施加频率为500Hz、振幅为0.1的正弦波激励时能够获得单分散性相对较好的微小液滴,液滴集群的平均半径为12.33μm,液滴集群半径的相对标准差为8.96%。研究了射流稳定发生之前两相润湿性在锥形演化过程中的作用。结果表明,亲水性越强液体锥形的体积越大,而各疏水的润湿条件下液体锥形的体积几近相同;射流破碎频率随接触角的增加先急剧增加后趋于稳定;液滴平均半径随接触角的增加而增加,液滴集群半径的相对标准差随接触角的增加而减小。借用不同质量浓度的甘油水溶液研究了不同物性参数在射流演化过程中的作用。结果表明,甘油水溶液的质量浓度与当地毛细管数Ca II负相关;随着Ca II的增加,液体锥形内部回流区的轴向长度逐渐减小并最终消弭;随着质量浓度的增加,液滴平均半径逐渐增大,液滴集群半径的相对标准差同样增加。研究了不同波形激励对射流破碎后液滴集群单分散性的影响。结果表明,仅对被聚焦相流量施加正弦波激励时,激励频率为500Hz、激励振幅为0.1时,单分散性程度最高;仅对聚焦相压力差施加正弦波激励时,单分散性几乎不受激励频率的影响,随激励振幅的增加而变差;两相流体同时施加正弦波激励时,单分散性几乎不受两相流体相位差的影响,但相较于仅对被聚焦相施加正弦波激励时,单分散性结果变差;改变激励波形为三角波和方波后,聚焦相的变化不明显,被聚焦相仍以正弦波单分散性程度最高。
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