微流控芯片實(shí)驗(yàn)室可將化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)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(xué)和生物醫(yī)學(xué)的多相流研究領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如化學(xué)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(shù)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(yīng)用領(lǐng)域中由于微流控芯片作用不同，對(duì)所形成液滴大小的要求也就不同. 因此，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的微通道，合理控制和預(yù)測(cè)不同工況條件下液滴尺寸大小及生成周期，對(duì)工業(yè)應(yīng)用有著重要的指導(dǎo)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(dòng)速度比值、微通道尺寸、壁面對(duì)兩相流的潤(rùn)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(dòng)界面平行流、混亂細(xì)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(cè)到螺紋型、噴射型、滴狀型、管狀型、滑移型 5 個(gè)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(dòng)與混合行為主要有 3 種形式：平行流、彈狀流、滴狀流.

對(duì)于微通道內(nèi)部?jī)上嘁后w流動(dòng)狀態(tài)，也有學(xué)者利用顯微測(cè)速系統(tǒng)，針對(duì)不同的兩相交匯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究. Steijn 等通過顯微粒子成像測(cè)速系統(tǒng)對(duì) T 型結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)氣泡形成過程中流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行了觀測(cè). 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(dòng)速度下液滴內(nèi)部的速度變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)液滴移動(dòng)速度較快時(shí)，液滴內(nèi)部速度呈現(xiàn)內(nèi)循環(huán)流動(dòng).

根據(jù)微通道幾何構(gòu)型、尺寸的不同，可以將其設(shè)計(jì)和改進(jìn)成各種用途的微元器件，其中 T 型結(jié)構(gòu)和聚焦型結(jié)構(gòu)微通道是比較有效的方式，目前的研究成果較多. 而關(guān)于 Y 型微通道的研究多集中于兩相混合后的流型分析，對(duì)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(duì)象，對(duì)液滴形成的大小及其影響因素進(jìn)行分析，并從微通道內(nèi)部速度矢量分布情況來進(jìn)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(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 微通道尺寸及形狀

本文實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)均為 12 mm，主通道長(zhǎng) 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(shí)驗(yàn)裝置

顯微粒子圖像測(cè)速技術(shù) (micro-PIV) 是基于圖像分析的無擾動(dòng)流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖 2 所示. 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度為 770. 此外實(shí)驗(yàn)中還利用高速攝影技術(shù)對(duì) Y 型微通道內(nèi)兩相流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量的液體性質(zhì)參數(shù)見表 1. 實(shí)驗(yàn)在室溫 (20?C) 及常壓條件下進(jìn)行。

圖 2 Micro-PIV 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)算方法

本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 CFD-ACE+ 進(jìn)行三維數(shù)值模擬. 采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行模擬，選用Y 型角度為 90? 微通道模型進(jìn)行網(wǎng)格依賴性驗(yàn)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(jì)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(jì)算所得的液滴直徑及生成周期的相對(duì)誤差在 0.6% 以內(nèi)，可見本模擬對(duì)網(wǎng)格的依賴性不大，因而可以采用網(wǎng)格數(shù)為 78 000進(jìn)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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