微通道中气核双乳液的生成及流动性质

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气核双乳液是含有气泡的液滴分散在另一种不互溶的流体中的结构化乳液,其在萃取增效、反应过程强化和核壳材料制备等方面有着广泛的应用,也可做为超声造影剂、药物传输载体应用于生物医学领域。利用微通道装置制备形貌可控的气核双乳液,近年得到了广泛关注。微通道中气核双乳液的研究仍以实验为主,至今未有数值模拟方面的研究报道。数值模拟可以模拟微纳尺度流体流动,揭示物理机理,克服实验研究的不足,成为研究双乳液的一个有效方法。本论文对微通道中气核双乳液的生成及流动性质进行了系统的数值模拟研究。本研究主要内容如下:(1)建立同轴聚焦微通道模型,使用流体体积法(VOF)研究了微通道中G/L/L双乳液生成的流体力学性质。通过对微通道内G/L/L双乳液生成过程的研究,发现最内相气体的超低粘度,使得G/L/L双乳液内部气相流体在各相力的作用下快速断裂回缩,在中间相流体内形成气泡。G/L/L双乳液的外部液滴的生成过程可分为滴流和射流两种模式。(2)分别研究了内、中、外相流体流量和流量比对G/L/L双乳液的尺寸、生成频率、偏心率和变形系数的影响。结果表明,改变三相流体流量大小对内部气泡的尺寸以及变形系数影响较小,而对外部液滴的尺寸及变形系数的影响较大。G/L/L双乳液生成后,在达到稳定状态前,其压力场、速度场、内部气泡与外部液滴的结构形貌都会发生变化。(3)通过数值模拟的方法对同轴聚焦微通道内气相流体中液滴的生成及流动性质进行了研究。探究了分散相和连续相的流量大小、分散相的粘度、两相流体间表面张力和流量比等参数对液滴大小、生成频率、变形系数以及液滴生成方式的影响。结果发现,该系统下液滴的生成过程不同于液-液两相流体系统中液滴的生成过程,观察到一些特定流型。通过数值模拟结果,将微通道中通过气体的作用可以产生连续可控液滴的方法应用到实验中,用于制备聚合物纳米颗粒。
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