微流控芯片實驗室可將化學或生物實驗室微縮到一塊數(shù)平方厘米的芯片上，而微流控芯片在化學和生物醫(yī)學的多相流研究領域中有著廣泛的應用，如化學合成、生物制藥、藥物篩選，以及食品和化妝品行業(yè)中的乳化技術等. 與常規(guī)方法相比，用微通道產(chǎn)生的微滴具有較高的均一性，而且生成過程快，頻率高.

不同的應用領域中由于微流控芯片作用不同，對所形成液滴大小的要求也就不同. 因此，針對不同結(jié)構的微通道，合理控制和預測不同工況條件下液滴尺寸大小及生成周期，對工業(yè)應用有著重要的指導意義. 制約著生成液滴大小的因素有很多，如分散相黏度、兩相流動速度比值、微通道尺寸、壁面對兩相流的潤濕性等. 不同的交匯方式，兩相流型也存在差異，Zhao 等在 T 型入口處觀察到了彈狀流、單分散油滴、小滴群、光滑界面平行流、波動界面平行流、混亂細條紋流等流型. Cubaud 等研究了十字聚焦型微通道內(nèi)液液兩相流的流型，觀測到螺紋型、噴射型、滴狀型、管狀型、滑移型 5 個流型. Dessimoz 等發(fā)現(xiàn)同樣條件下 Y 型入口的微通道中容易形成平行流. 駱廣生等提出液液非均相體系的流動與混合行為主要有 3 種形式：平行流、彈狀流、滴狀流.

對于微通道內(nèi)部兩相液體流動狀態(tài)，也有學者利用顯微測速系統(tǒng)，針對不同的兩相交匯結(jié)構進行了實驗研究. Steijn 等通過顯微粒子成像測速系統(tǒng)對 T 型結(jié)構微通道內(nèi)氣泡形成過程中流動區(qū)域進行了觀測. 分別觀察了微通道不同平面深度下連續(xù)相酒精的速度分布，并發(fā)現(xiàn)氣泡快速收縮發(fā)生在頸縮半徑為通道寬度的四分之一處. King 等利用 T型微通道，觀察到在不同液滴移動速度下液滴內(nèi)部的速度變化，發(fā)現(xiàn)當液滴移動速度較快時，液滴內(nèi)部速度呈現(xiàn)內(nèi)循環(huán)流動.

根據(jù)微通道幾何構型、尺寸的不同，可以將其設計和改進成各種用途的微元器件，其中 T 型結(jié)構和聚焦型結(jié)構微通道是比較有效的方式，目前的研究成果較多. 而關于 Y 型微通道的研究多集中于兩相混合后的流型分析，對于液滴大小、形成周期的影響因素還缺少系統(tǒng)研究. 因此本研究以不同角度的 Y型微通道為研究對象，對液滴形成的大小及其影響因素進行分析，并從微通道內(nèi)部速度矢量分布情況來進一步解釋不同情況下液滴形成周期、大小存在差異的原因.

1 實驗材料和方法

1.1 微通道尺寸及形狀

本文實驗所用微通道的材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷(PDMS). 主要加工方式為在微通道模板上澆注聚二甲基硅氧烷，隨后待聚二甲基硅氧烷凝固后脫模，最后將脫模后的聚二甲基硅氧烷與基板密封 (plasmatreat)，加工粗糙度 6 0.2μm. 連續(xù)相、分散相微通道長均為 12 mm，主通道長 20 mm；Y 型微通道 Y 型角度 (α) 分別為 45?, 90?, 135?, 180?; 微通道截面為500μm×500μm 的矩形截面，如圖 1 所示.

圖 1 Y 型微通道示意圖

1.2 實驗裝置

顯微粒子圖像測速技術 (micro-PIV) 是基于圖像分析的無擾動流場測量技術，實驗裝置圖如圖 2 所示. 實驗中采用直徑為 3.2μm 的示蹤粒子，為避免示蹤粒子粘連在微通道壁面上，向添加示蹤粒子的液體中加入 0.2% 的吐溫 20 (Tween20). 顯微鏡放大倍數(shù)為 5 倍，激光強度為 770. 此外實驗中還利用高速攝影技術對 Y 型微通道內(nèi)兩相流動現(xiàn)象進行了圖像采集，每秒保存 250 幀. 分散相液體為液體石蠟，連續(xù)相液體為無水乙醇，實驗測量的液體性質(zhì)參數(shù)見表 1. 實驗在室溫 (20?C) 及常壓條件下進行。

圖 2 Micro-PIV 實驗裝置圖

1 激光發(fā)生器；2 激光控制及同步器；3 CCD 和顯微鏡；4 微芯片；5 分散相微注射泵；6 連續(xù)相微注射泵；7 數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)；8 回收系統(tǒng)

表 1 20?C 時分散相、連續(xù)相液體的黏度、密度及界面張力

1.3 數(shù)值計算方法

本文利用計算流體力學軟件 CFD-ACE+ 進行三維數(shù)值模擬. 采用結(jié)構化六面體網(wǎng)格進行模擬，選用Y 型角度為 90? 微通道模型進行網(wǎng)格依賴性驗證，其中連續(xù)相入口流量 400 μL/min，分散相入口流量2 μL/min，不同網(wǎng)格量下計算所得液滴直徑及生成周期結(jié)果如表 2 所示. 在其他條件相同的情況下，網(wǎng)格數(shù)為 209 200 與網(wǎng)格數(shù)為 78 000 計算所得的液滴直徑及生成周期的相對誤差在 0.6% 以內(nèi)，可見本模擬對網(wǎng)格的依賴性不大，因而可以采用網(wǎng)格數(shù)為 78 000進行數(shù)值模擬. 其余 Y 型角度的網(wǎng)格數(shù)集中在 7 萬至 8 萬之間。

表 2 網(wǎng)格依賴性比較

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