微流控技术因其易于操控、高效节能和安全性高的特点,在化学、生物工程等众多领域获得广泛的应用。使用气液两相流体,通过微流控装置可以获得尺寸均匀的微气泡。气液两相在通道内的流动伴随着复杂的受力过程,研究通道内弹状流的生成过程有助于加深对气泡生成机制的理解。目前,对于弹状流的生成过程,尤其是针对气液相界面的变化研究不够完善。本文利用数值模拟和实验研究相结合的方法考察弹状流生成机制,关注相界面的变化及物理场信息,进一步得出气弹生成特性及其主要影响因素。基于以上内容,本文研究工作如下:(1)建立T型微通道气液两相流数值模型,研究弹状流生成过程。通过研究流动过程中相界面的变化,将气弹生成过程分为“两个阶段,一个时刻”。第一个阶段为回缩过程,这一过程中气相端部在表面张力的作用下快速回缩。第二阶段为连续鼓泡过程,在连续进料的情况下气弹不断生长,在液相的剪切作用下,下壁面气相不断变薄。当表面张力不能维持气相形状时断裂形成气弹,此时为“断裂时刻”。(2)流动过程伴随着压力场和速度场的不断变化。通过中心线和监测点两种方法研究压力场的变化,结果表明气相断裂导致断裂位置附近压力场急剧变化。粘性对中心线整体压力变化幅度影响最大。表面张力是气弹维持球形的原因,气弹下游相界面曲率半径小于上游相界面。根据速度场可以看出相界面是速度最大、受力情况最复杂的位置,气弹内部两个端部形成涡旋,推动气弹向下游运动。(3)通过搭建显微-高速摄像系统拍摄微流控芯片中气弹的高速生成,通过数字图像处理技术,得到气弹的生成特性(特征长度、生成周期等)。结果表明改变气液两相流率,气弹生成特性的变化范围最大。表面张力对气弹生成特性的影响最小。增加粘度能够得到尺寸更小的气泡且生成周期较短,气弹特征长度为400μm左右,气弹生成周期4.5 ms左右。(4)通过无量纲分析,发现气弹特征长度与无量纲数气液流量比_*Q,雷诺数Re,韦伯数We之间存在函数关系。经过线性回归分析得到的经验公式表明:通道尺寸不变的情况下,增加气相流率和减小液相流率均能使气弹特征长度增加,流动过程中气弹特征长度受惯性力和粘性力的影响,而表面张力的影响可以忽略。