利用高速攝像機研究截面為400×400 μm的正T型微通道內液-液兩相流動特性，離散相（硅油）和連續相（質量分數為0.5%的十二烷基硫酸鈉SDS蒸餾水）的體積流量范圍分別為1~5、2~110 mL/h. 結果表明，兩相流型主要為彈狀流和滴狀流，前者的形成機理為擠壓機理，后者為剪切機理. 液滴的長度隨離散相體積流量和離散相與連續相體積流量之比的增大而增大，隨連續相的體積流量和毛細數的增大而降低. 液柱長度的變化規律與液滴長度相反. 液滴生成時間隨離散相與連續相的體積流量的增大而逐漸降低，剪切機理生成液滴所需時間小于擠壓機理. 依據實驗結果，采用離散相與連續相體積流量比和連續相的毛細數，總結出無量綱液滴、液柱長度及液滴生成時間的預測關聯式.

微通道內兩相流動廣泛應用于能源、化工、生物醫藥及芯片實驗室等領域，近年來受到越來越多的關注. 依據離散相與連續相種類的不同，微通道內兩相流動主要分為氣-液和液-液兩類，涉及的流型有彈狀流（Taylor流）、滴狀流和環形流. 與常規通道相比，微通道內兩相流動具有流型穩定、表面積與體積比較大（大幅強化傳熱、傳質）、操作安全等優點. 現階段對于微通道內液?液兩相流的研究主要分析不同的微通道形式（T型、十字交叉型、Y型）對兩相系統內部液滴形成/破裂過程、液滴長度、速度、兩相流型等參數的影響規律.

T型微通道構造簡單，廣泛應用于微液滴生成裝置. 依據離散相與連續相入口的夾角，T型微通道主要分為兩類：正T型（夾角為180°）和側T型（夾角為90°）. Garstecki等利用數值模擬方法，分析側T型微通道內液滴的生成過程，指出液滴生成主要存在2種不同的機理：擠壓機理和剪切機理. Fu等觀測側T型微通道內部的流型，指出長氣泡主要由擠壓機理生成，離散氣泡主要由剪切機理形成. Yao等的實驗結果表明對于正T型通道，當連續相無法較好地潤濕通道壁面時，擠壓機理向剪切機理轉變的臨界毛細數低于潤濕性表面的工況。液滴與液柱的長度直接影響微液滴的傳熱、傳質特性，Wu等分析微通道內液滴長度的變化規律，并利用離散相與連續相的體積流量之比和連續相毛細數，總結出無量綱液滴長度的表達式.

雖然現有文獻已有涉及到微通道內液滴生成規律的研究，但對于正T型通道的研究不足，尤其是在液柱長度及液滴生成時間方面. 采用不同工作介質的微流動系統，其內的液滴、液柱長度與液滴生成時間的規律有一定的不同. 本研究主要以硅油和質量分數為0.5% 的十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate, SDS）蒸餾水作為離散相和連續相，分析截面為400×400 μm的正T型微通道內液滴生成規律，并總結液滴、液柱長度及液滴生成時間的預測關聯式.

T型微通道液-液兩相流動實驗系統及測試段如圖1所示. 離散相（硅油）和連續相（0.5% SDS蒸餾水）由2臺注射泵驅動，流入T型微通道實驗段. 在通過實驗段后，兩相混合液體流入集液器. 實驗段與注射泵及集液器之間采用內徑為3 mm的硅膠管連接. 工質的黏度由烏氏黏度計（LVDV-II，Brookfield，USA）測量，連續相與離散相的黏度分別為0.000 92、0.010 00 Pa·s. 兩相之間的表面張力由表面張力儀（DCAT11EC，Dataphysics，Germany）獲得，為0.021 N/m. 利用高速攝像機拍攝微通道內的兩相流型圖片，采用150 W的背光源提供清晰拍攝所需的光照強度. 實驗段的材質為亞克力玻璃，采用精密機械加工的方法刻出實驗所需的微槽道（截面尺寸為W×H=400×400 μm）及螺栓孔. 用相同尺寸的亞克力玻璃作為蓋板，蓋板和刻槽板之間利用螺栓壓緊密封.

圖 1   微液滴實驗系統及測試段示意圖

如圖2所示為實驗圖片的處理過程. 圖中，Lc為液柱長度，即2個連續的液滴之間的長度；Ld為液滴長度；Luc為微液滴單元長度，即一組液滴與液柱長度之和. 本研究采用MATLAB軟件中的Canny算法，處理微通道內流型圖片，獲得液滴的輪廓線，利用像素的相對大小，分析液滴、液柱的長度.

圖 2   微液滴實驗圖片處理過程

微液滴形成過程分析

在實驗過程中，如圖3所示為2種流型下液滴生成過程示意圖. 可以看出，2種流型對應的液滴生成位置與液滴生成時間明顯不同. 如圖3（a）所示，當連續相流速較低時，T型微通道內主要為彈狀流. 隨著時間增加，離散相逐漸充滿T型通道的交匯區域（100 ms）. 而后，離散相一方面向通道下游發展，另一方面在交匯區域所占的比重逐漸減小（200~300 ms），導致交匯區域的液-液界面逐漸向離散相入口側收縮. 當τ=385~400 ms時，靠近交匯區域下游離散相液滴尾部逐漸拉伸、剪斷，形成周期性的彈狀液滴. 對于高體積流量工況，微通道內主要為滴狀流. 如圖3（b）所示，隨著連續相體積流量的增大，離散相無法完全充滿和阻塞T型通道的交匯區域. 離散相向通道下游發展，在連續相的剪切力及兩相的表面張力作用下，斷裂形成長度較小的滴狀流. 對比圖3（a）、（b）可以看出，滴狀流形成的時間遠低于彈狀流，對應更高的生成頻率，同時滴狀流完全破裂生成液滴對應的位置距離交匯區域更遠，通道內主要為滴狀流流型.

圖 3   不同工況下的T型微通道內液滴形成過程

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