圓截面微通道內(nèi)液滴生成模擬研究

趙苗苗+王洪成+吳立群

摘 要：本文對(duì)微納米級(jí)T型圓截面微通道內(nèi)液滴的形成機(jī)制進(jìn)行仿真模擬研究，并得到連續(xù)相流速與液滴直徑大小關(guān)系。通過(guò)改變連續(xù)相流速，分別對(duì)選用的三種不同物性流體進(jìn)行液滴生成仿真模擬，驗(yàn)證了圓截面微通道內(nèi)液滴生成的可行性，并得到了當(dāng)其余參數(shù)保持不變改變連續(xù)相流速時(shí)，液滴直徑隨流速的增加呈指數(shù)型函數(shù)變化趨勢(shì)減小的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：連續(xù)相流速；微液滴尺寸；T型微通道

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.186

0 前言

微流控技術(shù)[1]是在微納米下對(duì)液、氣體進(jìn)行操控的技術(shù)，有耗時(shí)短、用量少等[2]優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)該技術(shù)在化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[3， 4]得到廣泛應(yīng)用，比如蛋白質(zhì)結(jié)晶[5]、纖維素液滴[6]、藥物篩選[7]等。尤其是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的T型通道內(nèi)液滴制備成為了研究重點(diǎn)[8]。目前受加工工藝限制制備的通道形狀以矩形為主，對(duì)圓截面微通道研究較少，且更多采用實(shí)驗(yàn)方法，很難方便精確的改變流體的單一參數(shù)且研究成本高。而仿真模擬研究不僅能克服實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的缺點(diǎn)，并且設(shè)置便捷、計(jì)算精確，近幾年吸引了更多學(xué)者的關(guān)注[9]。

1 模型設(shè)計(jì)及邊界條件的確定

通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)T型微通道建立模型，設(shè)定連續(xù)相為主通道中方向，分散相為垂直主通道方向，分散相通道直徑為200μm，連續(xù)相通道直徑為500μm。選用Fluent軟件進(jìn)行仿真分析，選擇四邊形網(wǎng)格作為網(wǎng)格類(lèi)型，將通道劃分為9600個(gè)矩形單元網(wǎng)格，主要是將其作為兩相流體的體積追蹤控制單元。

在仿真模擬的邊界條件的設(shè)置中，選用水相為分散相，硅油為連續(xù)相，兩相入口定義為速度入口，左端入口定義為inlet1，上端入口定義為inlet2；右端出口定義自由出口outflow。另外，定義通道的內(nèi)壁為靜止壁面類(lèi)型。

2 液滴生成的仿真模擬

為了研究圓截面微通道內(nèi)連續(xù)相流速與液滴直徑的關(guān)系，對(duì)微通道內(nèi)連續(xù)相流速進(jìn)行研究和分析。選用三組不同物性流體分別進(jìn)行液滴生成仿真分析。Group1：=0.0048kg/m·s，=0.07N/m；Group2：=0.0018kg/m·s，=0.07N/m；Group3：=0.0048kg/m·s，=0.09N/m。當(dāng)連續(xù)相流速值Uc分別為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5 m/s時(shí)，對(duì)不同物性流體進(jìn)行仿真，并得到不同直徑尺寸的微液滴，其中，液滴尺寸的大小按三種物性流體的不同分為三組，分別為D1、D2和D3。

3 結(jié)果與分析

為了增加數(shù)值分析結(jié)果的可靠性，對(duì)三組不同物性流體數(shù)值仿真，所得仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)出后經(jīng)過(guò)MATLAB處理獲得液滴直徑尺寸，并對(duì)不同直徑進(jìn)行繪制得到對(duì)應(yīng)的直徑數(shù)據(jù)直觀圖如圖1所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析直觀圖可得，排除個(gè)別數(shù)據(jù)誤差和系統(tǒng)誤差帶來(lái)的影響，得出以下結(jié)論：在圓截面微通道條件下，其余各項(xiàng)參數(shù)保持不變時(shí)，當(dāng)改變連續(xù)相流速這一單一變量的大小，D1、D2和D3三組數(shù)據(jù)分析結(jié)果也隨之變化，并隨流速的增加呈指數(shù)型函數(shù)變化趨勢(shì)減小，更加證實(shí)了在圓截面通道內(nèi)對(duì)液滴生成操控的可行性與可控性。

參考文獻(xiàn)：

[1]林炳承.微流控芯片的研究及產(chǎn)業(yè)化[J].分析化學(xué)，2016，44（04）

：491-499.

[2]穆莉莉，榮莉，黃友銳等.基于PMMA的微流控芯片的微液滴制備與控制[J].微納電子技術(shù)，2016，53（02）：108-113.

[3]Jia M L，Meng Z， Yeong W Y.Characterization and evaluation of 3D printed microfluidic chip for cell processing[J]. Microfluidics & Nanofluidics， 2016，20（01）：1-15.

[4]Zhuang Q C，Ning R Z，Yuan M A，et al.Recent development in microfluidic chips for in vitro cell-based research[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry，2016，44（04）：522-532.

[5]Li L，Ismagilov R F.Protein crystallization using microfluidic technologies based on valves，droplets，and SlipChip[J].Annual Review of Biophysics，2010，39（39）：139.

[6]童芳麗.纖維素微球和纖維素復(fù)合晶膠微球的制備新方法研究[D].浙江大學(xué)，2014.

[7]鄭振，陳陽(yáng)，李武宏等.液滴微流控芯片技術(shù)及其在藥物篩選中的應(yīng)用[J].藥學(xué)服務(wù)與研究，2016，16（03）：163-169.

[8]吳紀(jì)周.T型微通道內(nèi)微液滴形成機(jī)制的CFD模擬[D].重慶大學(xué)， 2011.

[9]Afkhami S，Leshansky A M，Renardy Y.Numerical investigation of elongated drops in a microfluidic T-junction[J].Physics of Fluids，2011，23（02）：23303-23342.

作者簡(jiǎn)介：趙苗苗（1992-），女，碩士，研究方向：微流控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

為通訊作者endprint