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研究:微通道内液 / 液微分散体系流型分析

 发布时间:2022-10-13 点击量:420

相对气 / 液两相微分散流型,液 / 液两相在微通道内的流型相对简单,有关报道也相对集中。

Thorsen 等 [1] 首先尝试了在 T 形微通道中采用错流剪切的方法制备单分散液滴。研究者指出,在微通道中,虽然流体的流动处于低雷诺数的状态,但是由于两相流体的界面不是静止的,流动仍然是非线性的,会造成相分散。

液滴的形成主要将通过界面张力和连续相剪切力的竞争决定。实验中通过改变油相和水相的压力来控制所形成液滴和液柱的尺寸和频率,并且可以将液滴在通道中的分散状态在较大范围内调控。图 1为研究者给出的液 / 液两相流型。

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图 1微通道内液 / 液两相流型



由图可以看出,当水相压力低于油相压力时,会形成分散的液滴;当固定油相压力,增大水相压力时,会出现有序的连续液滴流;而当水相压力大于油相压力时,会形成有序的液柱分散流。

在实验条件下,两相流可以呈现出液滴 / 液柱单层分散、液滴 Z 字形排布、珍珠链状串联和液滴多层排布等多种复杂而又非常有规则的流型分布,这与宏观通道中液 / 液两相分散行为有着很大的区别。

随后,徐建鸿 [2] 在 T 形微通道内采用正辛烷 /0.5%(质量分数)SDS 水溶液为实验体系,通过利用垂直流剪切方向研究两相流量对于两相流型的影响,在较宽的操作范围内给出了液 / 液两相微分散流型。结果如图2所示。

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图 2 微通道内液 / 液两相流型图



当水相流量较小而油相流量较大,也就是 Qw/Qo 值较小时,油水两相呈平行层流。形成的主要原因在于垂直通道内水相流动产生的剪切力很小,无法将油相破碎成分散的液柱,两相沿着通道呈平行流动;Qw/Qo 值增大到一定程度后,垂直通道内水相流动产生的剪切力可以将油相破碎,由于油相尺寸大于通道尺寸,形成了规则的油柱分散流;进一步增大 Qw/Q时,便能形成鹅卵石状和液滴分散流。

对比宏观通道,微尺度条件下两相流呈现出更为复杂而又非常规则的变化。两相流型变化主要是由连续相流动产生的黏性剪切力大小决定的。当连续相剪切力较小时,只能形成两相平行层流或液柱分散流,而当连续相剪切力较大时,连续相能将分散相剪切形成规则的液滴分散流。

由上述报道可以看出,对于微通道内液 / 液两相流动,相对于气 / 液流动,其流型变化还是简单很多,主要有两相层流流动、液滴流和流柱流等三种。其流型变化简单的一个主要原因是由于液 / 液体系的作用力与气 / 液体系还是有很大的不同,更为关键的是液 / 液体系的不可压缩性,压力变化对其影响很小,且液 / 液分散体系的稳定性也较气 / 液体系好,因此其流型变化相对较少。

Wang 等 [3] 最近对微通道内液 / 液体系流型进行了较为全面的分析,给出了主要的流型示意图,如图 3所示。当然,即便是简单的流型,若分散体系特殊或者微通道结构复杂,也会对流型产生重要的影响,因此,与气 / 液体系流型划分一样,研究者还需要针对体系性质、几何结构以及分散方法等开展分析,以得到较为可靠的流型划分。

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图 3 微通道内液 / 液两相主要流型示意图



参考文献:

[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] 徐建鸿 . 微分散体系尺度调控与传质性能研究 [D]. 北京 : 清华大学 , 2007.
[3Wang K, Luo G S. Microflow extraction:A review of recent development[J]. Chem Eng Sci,2017, 169:18-33.
[4] 骆广生,吕阳成,王凯,张吉松等,《微化工技术》化学工业出版社。